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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL
Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la
Producción
“Implementación de un equipo de secado para alimentos”
TESIS DE GRADO
Previo a la obtención del titulo de:
INGENIERO DE ALIMENTOS
Presentada por:
Juan Carlos Merino Plaza
GUAYAQUIL – ECUADOR
Año: 2006
A G R A D E C I M I E N T O
A Dios, a la MSc. Fabiola
Cornejo Zúñiga, al
CICYT, a mis vocales, a
mis padres
especialmente a mi
Madre, a mis hermanos,
a mi novia y a todas las
personas que han
servido de guía y apoyo
en la realización de este
proyecto.
D E D I C A T O R I A
MIS PADRES
MIS HERMANOS
MIS ABUELITAS
TRIBUNAL DE GRADUACIÓN
Ing. Eduardo Rivadeneira P. MSc. Fabiola Cornejo Z.
Decano de la FIMCP DIRECTOR DE TESIS
PRESIDENTE
M.Ed. Ana Maria Costa V. Ing. Manuel Helguero G.
VOCAL VOCAL
DECLARACIÓN EXPRESA
“La responsabilidad del contenido de esta
Tesis de Grado me corresponden
exclusivamente; y el patrimonio intelectual de la
misma a la ESCUELA SUPERIOR
POLITÉCNICA DEL LITORAL”
(Reglamento de Graduación de la ESPOL)
Juan Carlos Merino Plaza
RESUMEN
En la actualidad se esta estudiando mucho sobre la disminución de la actividad
de agua de los alimentos, ésta tecnología impide el crecimiento microbiano y
por lo tanto aumenta el tiempo de vida útil del alimento. La reducción de la
actividad de agua puede ser obtenida por medio del secado. El proceso de
secado es el más sencillo y económico que existe.
El objetivo de esta tesis fue implementar un equipo de secado que permirá
una mejor comprensión de lo que representan diversos procesos de
operaciones unitarias durante el proceso de secado.
El propósito de la construcción del secador de bandejas es potenciar a la
ESPOL y a la carrera de Ingeniería en Alimentos en la preparación de sus
estudiantes. Se pretende desarrollar prácticas para las materias en donde se
pueda utilizar el secador, como Introducción a la Ingeniería en alimentos,
Balance de materia y energía, Operaciones Unitarias 1, Operaciones
Unitarias 2, Operaciones Unitarias 3 y Deshidratación y Secado de alimentos.
Adicionalmente en materias en donde se realizan proyectos que consisten en
crear nuevos productos como Procesamiento de alimentos 1 y 3 que tratan
de la manipulación con frutas y hortalizas y de carnes y pescados
respectivamente, el secador podría representar una variante para estos
estudiantes.
En el primer capítulo de la tesis se detallaran los fundamentos teóricos
necesarios para la elaboración de esta tesis en donde se incluyen conceptos
y formulas básicas. Con el objetivo de comprender cada uno de los
mecanismos que ocurren durante la deshidratación y secado. En el segundo
capítulo se mostrara los equipos que se utilizaran para la construcción del
secador, la distribución y las características de cada uno de ellos. El tercer
capítulo contendrá las prácticas que se desarrollaran en el equipo de secado.
Cada una de las prácticas, que se desarrollaran para las materias
anteriormente mencionadas, muestran una base teórica, objetivos,
procedimiento, cálculos y análisis de resultados; así como preguntas para ser
desarrolladas por los estudiantes.
ÍNDICE GENERAL
Pág.
RESUMEN…………………………………………………………………… II
ÍNDICE GENERAL…………………………………………………………. III
ABREVIATURAS…………………………………………………………… IV
SIMBOLOGÍA……………………………………………………………….. V
ÍNDICE DE FIGURAS……………………………………………………… VI
ÍNDICE DE TABLAS……………………………………………………….. VII
INDICE DE FOTOS………………………………………………………… VIII
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………… 1
CAPITULO 1
1. Fundamentos de deshidratación y secado de alimentos……………. 3
1.1 Características químicas, físicas y microbiológicas de los
alimentos deshidratados……………………………………………. 4
1.1.1 Actividad de agua……………………….……………………. 4
1.1.2 Estabilidad de alimentos…………………………………….. 5
1.1.2.1 Proliferación de microorganismos……………………… 5
1.1.3 Fenómenos físicos y estructurales…………………………. 6
1.2 Aplicación del proceso de secado………………………………… 6
1.3 Psicometría………………………………………………………….. 7
1.3.1 Curva o diagrama psicrométrico……………………………. 7
1.4 El proceso de secado………………………………………………. 8
1.4.1 Determinación de la velocidad de secado…………………. 14
1.4.1.1 Periodo de velocidad constante……………………. 14
1.4.1.2 Periodo de velocidad decreciente…………………. 19
1.4.1.2.1 Teoría de difusión (Difusión del liquido).. 20
1.4.1.2.2 Movimiento capilar de la humedad
durante el secado………………………… 24
1.5 Contenido de humedad critica……………………………………... 27
1.6 Comportamiento de los sólidos durante el secado……………… 27
1.7 Desarrollo de deshidratación….…………………………………… 28
1.7.1 Primera Generación………………………………………….. 28
1.7.1.2 Secador de bandejas………………………………… 29
1.7.2 Segunda generación…………………………………………. 32
1.7.2.1 Secador de tambor………………………………….. 33
1.7.3 Tercera Generación………………………………………….. 33
1.7.3.1 Liofilización……………………………….………….. 33
1.7.3.2 Deshidratación osmótica……………………………. 34
1.7.4 Cuarta Generación…………………………………………… 34
CAPITULO 2
2. Construcción del secador de Bandejas……………………………….. 35
2.1 Componentes del secador de bandeja…………………………… 37
2.1.1 Estructura externa del secador y sus dimensiones………. 39
2.1.2 Blower………………………………………………………….. 39
2.1.3 Instrumentos de medición…………………………………… 41
2.1.4 Instrumentos de control……………………………………… 44
2.2 Esquema del secador de bandeja..……………………………….. 48
2.3 Método de operación del secador de bandeja…………………… 49
CAPITULO 3
3. Practicas de laboratorio en el secador de bandeja………………...... 51
3.1 Familiarización con un secador de bandeja……………………… 51
3.1.1 Uso de la carta psicrométrica……………………………….. 51
3.2 Balance macroscópico de materia en un proceso de secado….. 56
3.2.1 Influencia del tamaño de la partícula……………………….. 66
3.3 Balance macroscópico de energía en un proceso de secado…. 70
3.4 Tipos de fluido de aire y número de Reynolds.………………….. 79
3.5 Determinación de coeficiente de transmisión de calor por
convección en un secador de bandeja……………………………. 84
3.5.1 Influencia de la velocidad de aire…………………………… 88
3.6 Aplicación de la ley de Fick para determinar el coeficiente de
difusión en el secado de alimentos………………………………... 93
3.7 Obtención de curva de velocidad de secado en frutas…………. 98
3.7.1 Calculo de periodo de velocidad constante……………….. 99
3.7.2 Calculo del periodo de velocidad decreciente…………….. 107
3.7.3 Calculo de tiempo de secado……………………………….. 112
CAPITULO 4
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………………………… 120
ANEXOS
BIBLIOGRAFÍA
ABREVIATURAS
A: área (m2
)
A1: área de la superficie donde tiene lugar el secado
A2: área de la salida del blower
cm: centímetro
Cp: calor especifico
Cpa: calor especifico del agua
Cps: calor especifico del sólido
Cs. Calor específico del aire húmedo
D: diámetro (m)
d: diámetro característico (equivalente)
DAB: difusividad molecular de la mezcla de aire agua
De: diámetro equivalente
Deff: coeficiente de difusión (m2
/h)
Dk: difusividad de Knudsen
Dr: ductos rectangulares
Fa: flujo de aire (Kg. de aire seco/h)
Fs: flujo de sólido (Kg. de sólido seco/h)
Fs: peso de sólidos secos
G: densidad de flujo másico de aire (Kg./m2
h)
g: gramos
Gm: caudal másico de aire (Kg./s)
Gv: flujo volumétrico (m3
/s)
H. humedad del aire
h: coeficiente de transmisión de calor por convección
h: hora
H1: humedad absoluta inicial
H2: humedad absoluta final
Ha: entalpía del aire (Kj/Kg. de aire seco)
hn: constante (2n-1)
Hr: humedad relativa de aire
Hs: entalpía del sólido
Hsup: humedad superficial
Hw: humedad a la temperatura de bulbo húmedo
k: conductividad térmica del material sólido
Kg: kilogramo
Ky: coeficiente de transferencia de masa
L: longitud del plato en la dirección del flujo
ln: logaritmo natural
m: metro
M: peso molecular del agua
m2
: metro cuadrado
Ma: peso molecular del agua
MB: peso molecular del aire
min: minuto
n: vector de normalidad
N: vector normal de unidades
Na: flujo de vapor de agua
Nm. Velocidad de transferencia de humedad
plg: pulgada
Pr: numero de Prandalt
Q: calor cedido por el aire
Q1: calor que se pierde al medio
QL: calor que se pierde al medio ambiente
R: constante de los gases
R: constante universal de los gases
R1: velocidad de secado
Rc: velocidad constante de secado
Re: numero de Reynods
s: segundo
Sc: numero de Schmidt
T: temperatura absoluta
t: tiempo
Ta: temperatura del aire a la entrada
Tbd: tiempo de secado en el periodo de velocidad decreciente
Tbh: temperatura de bulbo húmedo
Tbs: temperatura de bulbo seco
tc: tiempo de secado constante
td: tiempo de secado decreciente
To: temperatura de referencia
Ts: temperatura de entrada del producto
Tts: tiempo total de secado
V: velocidad (m/s)
Vh: volumen húmedo
Vs: volumen especifico
VTE: velocidad total de evaporación
Vts: velocidad total de secado
W: humedad (Kg. de agua/Kg. de aire seco)
Wt: peso total de la muestra
x: dimensión espacial (m)
X: humedad libre
X1: concentración inicial
x1: espesor
X2: concentración final
Xc: humedad critica
Xeq: humedad en equilibrio
Xf: humedad final
Xo: humedad inicial
Xs: humedad de la superficie
Xt: humedad (peso agua/peso sólido seco)
Y: humedad del aire
Yw: humedad del aire en la superficie del sólido
SIMBOLOGIA
%H2O: porcentaje de humedad
α: coeficiente de calor latente
β:factor de geometría
λo: Calor latente del agua a la temperatura de referencia (2501.4 Kj/Kg. del
agua usando aire y vapor de agua saturado a 0o
C como punto de referencia)
λw: calor latente del vapor a la temperatura del bulbo húmedo
µ: viscosidad (C-poise)
π: 3.1416
ρ : densidad (m3
/Kg.)
Ψ: tortuosidad
Є: porosidad
ÍNDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Esquema de una carta psicrométrica…….………………….. 7
Figura 2. Cambio de peso durante un proceso de secado…………… 8
Figura 3. Contenido de humedad en función del tiempo de secado… 10
Figura 4. Curva de velocidad de secado............................................. 11
Figura 5. Determinación de la velocidad de secado…………………... 13
Figura 6. Transferencia de calor y materia durante el secado……….. 15
Figura 7. Mecanismo de difusión superficial en el transporte de
vapor de agua………………………………..………………… 22
Figura 8. Mecanismo de difusión de knudsen del transporte de
vapor de agua…………………………………………………. 23
Figura 9. Esquema general de un secador de bandejas……………... 30
Figura 10. Esquema del secador construido………………………… …. 49
Figura 11. Principios de entrada y salida en una operación
unitaria………………………………………………………….
56
Figura 12. Componentes típicos de un balance de masa……………… 57
Figura 13. Disminución del espesor vs. tiempo…………………………. 68
Figura 14. Entradas y salidas de energía en un proceso o en una
operación unitaria……………………………………………... 71
Figura 15. Variación de h vs. V (m/s)…………………………………….. 91
Figura 16. Gráfico experimental para determinar Deff a 65ºC………. 96
Figura 17. Gráfica experimental para obtener Deff a 75ºC…………… 96
Figura 18. Curva de velocidad de secado vs. humedad……………….. 98
Figura 19. Curva de velocidad de secado a 65ºC………………………. 108
Figura 20. Curva de velocidad de secado a 75ºC………………………. 109
ÍNDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Valores obtenidos de la carta psicrometrica…………….……. 55
Tabla 2. Valores de masa inicial y final del producto y del aire a
diferentes temperaturas…………………………………………
64
Tabla 3. Valores de humedad final a diferentes espesores…………… 68
Tabla 4. Valores de entalpía del aire…………………………………….. 77
Tabla 5. Valores de entalpía del producto………………………………. 77
Tabla 6. Calor que necesita el producto para secar…………………… 77
Tabla 7. Valores del numero de Reynolds………………………………
Tabla 8. Valores del coeficiente de transferencia de calor y densidad
del flujo másico………………………………………………….. 87
Tabla 9. Valores de densidad, densidad de flujo másico y
coeficientes convectivos de transferencia de calor a
diferentes velocidades………………………………………….. 91
Tabla 10.Valores del coeficiente de difusión en el secado de plátano
a 65 y 75 ºC……………………………………………………… 97
Tabla 11.Valores de velocidad de secado y de velocidad total de
evaporización a una misma área……………………………… 105
Tabla 12.Valores de velocidad de secado en el periodo decreciente 111
Tabla 13.Valores de tiempo total de secado…………………………….. 118
ÍNDICE DE FOTOS
Pág.
Foto 1. Botoneras………………………………….…….………………….. 36
Foto 2. Perillas………………………………………………………………. 36
Foto 3. Secador de bandeja ……………………………………………. 39
Foto 4. Ventilador (Blower)… ………………....................................... 40
Foto 5. Balanza……………………………………………….…………. 42
Foto 6. Termohigrómetro… ……………..………………………………. 42
Foto 7. Termómetro bimetalico de bolsillo…………………………….. 44
Foto 8. Breque..………………………………………..…………………. 45
Foto 9. Botoneras…………………….………………………………….. 46
Foto 10. Contactor…………………………….. ………………………… 46
Foto 11. Termostato para horno ………………………………………… 47
Foto 12. Swich infinito…………………………………………………….. 48
INTRODUCCIÓN
La elaboración de guías de prácticas y la construcción de un secador de
bandeja es de lo que se tratara en esta tesis. La cual consta de cuatro
capítulos, el primero donde se da a conocer los fundamentos teóricos y las
bases necesarias para entender las diferentes incógnitas en un proceso de
secado.
En el segundo capitulo se incluyen las partes del secador y básicamente
cuenta con sistemas generales como un soplante(blower), un generador de
calor (resistencias eléctricas), medidores de humedad y temperatura (termo-
higrometro), cuarto de secado y una balanza para medir perdida de peso.
En el tercer capitulo y como objetivo principal de la construcción de este
secador es la elaboración de guías de prácticas para las materias de
Introducción a la Ingeniería en Alimentos, Balance de materia y Energía,
Operaciones Unitarias 1, Operaciones Unitarias 2, Operaciones Unitarias 3 y
Deshidratación y Secado de Alimentos que se encuentran el tercer capitulo.
Los materiales para la construcción del secador fueron otorgados por el
Centro de Investigación Científica y Tecnológica (CICYT) y la Facultad de
Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP).
2
La construcción del secador se debe a que en la FIMCP no se cuenta con un
equipo de secado con aire que permita a los estudiantes analizar los diversos
procesos que ocurren en el secado de alimentos y además familiarizarse con
el uso del secador, por eso creemos que se ayudara en la formación de los
futuros profesionales.
CAPÍTULO 1
1. FUNDAMENTOS DE DESHIDRACION Y SECADO DE
ALIMENTOS
El proceso de secado consiste en la remoción de un líquido de un
material por la aplicación de calor, llevándose a cabo por evaporación y
no por procesos mecánicos. Este proceso se logra por la transferencia
del líquido a un gas no saturado como aire. El objetivo del proceso de
secado es detener o disminuir el crecimiento de microorganismo así
como las reacciones químicas. En alimentos se suele hablar de
deshidratación (13)
.
Deshidratación y secado no es lo mismo; según el Departamento
de Agricultura de los Estados Unidos define productos deshidratados
como aquellos que han sido expuestos a la remoción de agua y que
poseen mas del 2.5 % de agua (base seca). Productos secos son
aquellos con no mas del 2.5 % de agua (base seca) (13)
.
4
1.1 Características químicas, físicas y microbiológicas de los
alimentos deshidratados.
La deshidratación o secado de alimentos no solo afecta el contenido
de agua de alimentos también altera otras propiedades físicas,
químicas y microbiológicas como actividad enzimático, crecimiento
microbiano, dureza, viscosidad, sabor, palatabilidad (3)
.
1.1.1 Actividad de agua
La actividad de agua es un parámetro que durante años se ha
relacionado con la estabilidad de los alimentos. En términos
simples la actividad de agua (Aw) es la medida de la presión
relativa de las moléculas de agua en el espacio de cabeza por
encima del alimento el cual esta en un recipiente, comparado
con la presión que ejerce el agua pura a la misma
temperatura (2)
.
Se puede mencionar que Aw es un parámetro empírico que
correlaciona el crecimiento microbiano y las reacciones
químicas (2)
. A pesar de que se ha demostrado que no es un
factor determinante continúa siendo una ayuda debido a que
los costos del instrumento son bajos y sus mediciones son
fáciles. La FDA así como otras agencias utilizan la Aw como
uno de los factores de seguridad en los sistemas alimenticios.
5
Asi como el pH indica el grado de acidez la Aw indica el grado
de disponibilidad de agua (3)
.
1.1.2 Estabilidad de alimentos:
Como se observa en las curvas de estabilidad de la
proliferación de microorganismos, las reacciones químicas
están relacionadas con la Aw. Los aspectos de estabilidad
que se pueden relacionar a la Aw y contenido de humedad
son cambios microbianos, reacciones enzimáticas y no
enzimáticas, cambios estructurales y físicos, destrucción de
nutrientes, aroma y sabor (3)
.
1.1.2.1 Proliferación de microorganismos
Las células vivas son sensibles al contenido de
humedad en su medio ambiente. La habilidad de los
microorganismos para crecer y producir toxinas se
relaciona con la actividad de agua del medio. La Aw
mínima para la producción de toxinas es por lo
general mayor que para el crecimiento microbiano (3)
.
6
1.1.3 Fenómenos físicos y estructurales
Cambios geométricos y estructurales en los alimentos durante
el secado afecta las propiedades de transferencia de masa y
la calidad del producto. Los defectos más comunes en
productos deshidratados son dureza, textura como madera,
rehidratación lenta e incompleta, perdida de jugosidad (típica
de alimentos frescos) y cristalización de polisacáridos como
almidones. El encogimiento es uno de los cambios más
comunes de la deshidratación y ocurre durante las primeras
etapas del secado (3)
.
1.2 Aplicaciones del proceso de secado
En alimentos el secado es reducir el volumen y peso de los
materiales obteniendo de esta manera la disminución del costo en el
transporte y almacenamiento. Adicionalmente ayuda a la
conservación y estabilidad de productos animales y vegetales para
disminuir el crecimiento de hongos y bacterias. En definitiva, el
secado permite obtener un producto más estable, especialmente en
alimentos (4)
.
7
1.3 Psicometría
Psicometría es el estudio del comportamiento de las mezclas agua-
aire. La tabla psicrométrica se basa en graficar la humedad del aire
en función de la temperatura. La tabla psicrométrica involucra la
ganancia o pérdida de humedad en aire. (13)
1.3.1 Curva o diagrama psicrométrico
Es un diagrama de humedad que muestra las características
de humedad del aire. Estas curvas son representaciones
gráficas de la relación entre temperatura y humedad del vapor
de agua en el aire en un sistema a presión constante. Las
temperaturas y volúmenes específicos se muestran en el eje
horizontal, y en el vertical la humedad absoluta y la presión de
vapor (13)
.
Figura 1.Esquema de una carta psicrométrica
(3)
8
1.4 El proceso de secado
En los procesos de secado, los datos suelen expresarse como la
variación que experimenta el peso del producto que se esta secando
con el tiempo observar la figura 2. Aunque a veces, los datos de
secado pueden expresarse en términos de velocidad de secado (3)
.
Peso de muestra
(g)
Tiempo (h)
Figura 2. Cambio de peso durante un proceso de secado. (3)
El contenido en humedad del producto se define como la relación
entre la cantidad de agua en el alimento y la cantidad de sólidos
secos y se expresa como:
(1)(4)
Xt = (Wt – Fs) / Fs
En la que Wt es el peso total de material en un tiempo
determinado, siendo Fs el peso de los sólidos secos, y Xt es la
humedad expresada como peso de agua/peso de sólido seco. En los
9
procesos de secado una variable muy importante es la denominada
contenido de humedad libre, X. El contenido de humedad libre se
puede evaluar si se considera el contenido de humedad de equilibrio:
(2) (4)
X = Xt – Xeq
En la que Xeq es el contenido de humedad cuando se alcanza el
equilibrio. Una típica curva de secado se obtiene al representar este
contenido de humedad libre X frente al tiempo de secado t observar
la figura 3.
La velocidad de secado Rs es proporcional al cambio del contenido
de humedad en función del tiempo (t):
(3) (4)
Rs α dX/dt
Considerando la curva presentada en la figura 3, los valores
individuales de dX/dt en función del tiempo, se pueden obtener a
partir de la tangente trazada en la curva de X frente a t. Sustituyendo
la condición de proporcionalidad en la ecuación 3 por Fs/A, la
velocidad de secado se puede expresar como:
10
0.5
0.4
Humedad libre 0.3
(Kg agua/Kg
sólidos secos) 0.2
0.1
0 5 10 15
Tiempo (h)
Figura 3. Contenido de humedad en función del tiempo de secado.
(3)
(4) (4)
Rs = - (Fs/A1) (dX/dt)
Donde R es la velocidad de secado y A1 es el área de la
superficie donde tiene lugar el secado. Al representar Rs frente a t
se obtiene una curva similar a la que se muestra en la figura 3.
El proceso de secado de un material puede describirse por una
serie de etapas en las que la velocidad de secado juega un papel
determinante. La figura 4 muestra una típica curva de velocidad de
secado, en la que los puntos A y A’ representan el inicio de secado
para un material frío y caliente. El punto B representa la condición
de temperatura de equilibrio de la superficie del producto. El tiempo
11
transcurrido para pasar de A o A’ a B suele ser bajo y a menudo se
desprecia en los cálculos de tiempo de secado. (3)
Velocidad
de
secado
Velocidad decreciente Velocidad constante X
Humedad libre X (kg agua/kg sólidos secos)
Figura 4. Curva de velocidad de secado. (2)
El tramo de la curva B-C es conocido como periodo de
velocidad constante de secado y esta asociado a la eliminación del
agua no ligada del producto, en el que el agua se comporta como si
el sólido no estuviera presente. Al inicio la superficie del producto se
encuentra muy húmeda, presentando una actividad de agua cercana
a la unidad. (3)
En los sólidos porosos el agua eliminada en la superficie es
compensada por el flujo de agua desde el interior del sólido. El
periodo de velocidad constante continúa mientras que el agua
A
B
C
D
E
A’
12
evaporada en la superficie puede ser compensada por la que se
encuentra en el interior. La temperatura en la superficie se
corresponde aproximadamente a la del bulbo húmedo. En general, la
velocidad de secado se determina por condiciones externas de
temperatura, humedad y velocidad de aire. (3)
El periodo de velocidad decreciente se da cuando la velocidad de
secado ya no se mantiene constante y empieza a disminuir, además,
la actividad de agua en la superficie se hace menor que la unidad.
En este caso, la velocidad de secado esta gobernada por el flujo
interno del agua y vapor. El punto C de la figura 4 representa el inicio
del periodo de velocidad decreciente. En este punto no hay
suficiente agua en la superficie para mantener el valor uno de
actividad de agua. El periodo de velocidad decreciente se puede
dividir en dos etapas. La primera de ellas se da cuando los puntos
húmedos en la superficie disminuyen continuamente hasta que la
superficie esta seca completamente (punto D), mientras que la
segunda etapa del periodo de velocidad de secado decreciente se
inicia en el punto D, cuando la superficie esta completamente seca, y
el plano de evaporación se traslada al interior del sólido. El calor
requerido para eliminar la humedad es trasferido a través del sólido
en la corriente de aire que va hacia la superficie. A veces no existen
13
diferencias remarcables entre el primer y segundo periodo de
velocidad decreciente. (3)
La cantidad de agua eliminada en este periodo puede ser baja,
mientras que el tiempo requerido puede ser elevado, ya que la
velocidad de secado es baja. La determinación experimental de la
velocidad de secado se basa en un principio simple: medida del
cambio del contenido de humedad durante el secado. El material que
se desea secar se introduce en una bandeja y es expuesto a una
corriente de aire. La bandeja se suspende de una balanza colocada
en un armario o conducto por el que fluye aire. El peso del material
se va anotando en función del tiempo de secado. La figura 5 muestra
un esquema típico utilizado en la determinación de velocidad de
secado (3)
.
Escala
Soplante
Figura 5.Determinación de la velocidad de secado (3)
Calentador Túnel de secado
14
1.4.1 Determinación de la velocidad de secado
1.4.1.1 Periodo de velocidad constante
Durante el periodo de secado de velocidad
constante, los fenómenos de transporte que tienen
lugar son la transferencia de materia de vapor de
agua hacia el medio ambiente desde la superficie
del producto a través de una película de aire que
rodea el material y la transferencia de calor a través
del sólido. Mientras dura el proceso de secado la
superficie del material permanece saturada de
agua, ya que la velocidad de movimiento de agua
desde el interior del sólido es suficiente para
compensar el agua evaporada en la superficie.
Si se supone que solo existe transferencia de calor
hacia la superficie del sólido por conveccion desde
el aire caliente y transferencia de materia desde la
superficie hacia el aire caliente observar la figura 5,
los balances de materia y calor se pueden expresar
como:
(5) (4)
Na = Ky (Yw - Y)
15
(6) (4)
Q = h A1 (Tbs - Tbh)
Aire (T, H, Y)
Superficie húmeda
Figura 6. Transferencia de calor y materia durante el
secado (3)
h = coeficiente de transferencia de calor (W/m2
°K)
A1 = área de secado (m2
)
Tbh = temperatura de bulbo húmedo (°C)
Tbs = temperatura de bulbo seco (°C)
Na = flujo de vapor de agua (mol Kg / sm2
)
Yw = humedad del aire en la superficie del sólido (Kg
agua/Kg aire seco)
Y = humedad del aire (Kg agua/ Kg aire seco)
Ky = coeficiente de transferencia de masa
(adimensional)
Q Flujo de vapor de
agua
Na
Superficie
(Tw, Hw,Yw)
16
La cantidad de calor necesaria para evaporar el
agua en la superficie es:
(7) (4)
Q = Na Ma λ w A1
Ma = peso molecular del agua
λw = calor latente de vapor a la temperatura de bulbo
húmedo (Tbh) (J/Kg)
Por lo tanto la velocidad de secado con esas
ecuaciones
(8) (4)
Rc = Ky MB (Hw – H) ó
h (T – Tw) q
(9) (4)
Rc = =
λw λw A
MB = peso molecular del aire
Hw = humedad a la temperatura de bulbo húmedo
H = humedad del aire
Transferencia de
masa
Transferencia de
calor
17
Por lo tanto en ausencia de transferencia de calor por
conducción, radiación, la temperatura del sólido esta
a la temperatura del bulbo húmedo del aire durante el
periodo de secado de velocidad constante. Por lo
tanto es posible usar la ecuación de transferencia.
Aunque más confiable es usar el de transferencia de
calor por que cualquier diferencia de temperatura en
el bulbo húmedo se puede determinar:
Kg. H2O h (T – Tw) °C (3600)
(10)
(4)
Rs = =
hm2
λw
Coeficiente de transferencia de masa (Ky) puede ser
obtenido de la siguiente correlación.
Ky L
(11)
(4)
= 0.664 Re
0.5
Sc
0.332
DAB
µ d v ρ
(12)
(4)
Sc = (13)
(4)
Re =
ρ DAB µ
18
L = longitud del plato en la dirección del flujo (m)
DAB = difusividad molecular de la mezcla de aire –
agua (adimensional)
d = diámetro característico (equivalente) (m)
v = velocidad del flujo (m3
/s)
Sc = numero de Schmidt (adimensional)
Coeficiente de transferencia de calor se puede
expresarse como:
(14) (2)
h = 0.0204 G0.8
(SI)
La temperatura del aire es de 45 – 150 °C
La velocidad de la masa es de 2450 – 29300 Kg/h m2
La velocidad es de 0.65 – 7.6 m/s
h.d
(15)
(4)
Nu = = 2 + α Re
0.5
Pr
0.33
K
Cp µ
(16)
(4)
Pr =
K
19
G = Densidad de flujo másico de aire Kg/h m2
h = Coeficiente de transferencia de calor (W/m2
°K)
K = conductividad térmica (W/m2
ºK))
α = constante ()
Pr = numero de Prandalt (adimensional)
Cp = calor especifico (KJ/Kg ºK)
v = velocidad del aire (m/s)
Masa de aire seco + masa de humedad
(17)
(4)
ρaire =
Volumen húmedo (Vh)
(18)
(4)
Vh = (2.83 x 10-3
+ 4.56 x 10-3
(H)) T
1.4.1.2 Periodo de velocidad decreciente
La velocidad de secado R decrece cuando el
contenido de humedad sobrepasa el contenido de
humedad crítico Xc. El movimiento del agua dentro
del sólido puede ser explicado por diferentes
mecanismos: difusión del liquido debido a los
gradientes de concentración, difusión del vapor
debido a las presiones parciales, movimiento del
20
liquido debido a fuerzas capilares, movimiento del
liquido debido a la gravedad y difusión superficial. (3)
El movimiento de la humedad a través del alimento
depende de la estructura del poro y la interacción de
la humedad con la matriz alimenticia (3)
.
1.4.1.2.1 Teoría de difusión (Difusión del líquido)
Esta teoría se deriva de los gradientes de
concentración entre el interior del sólido en
donde la concentración es alta y la
superficie donde la concentración es baja.
Estos gradientes se fijan durante el secado
de la superficie. La velocidad de la
difusividad del líquido decrece con rapidez
al decrecer el contenido de humedad. La
difusión toma lugar dentro la estructura fina
del sólido y dentro de los capilares, poros y
pequeños huecos llenos de vapor.
Desafortunadamente la teoría de difusión
no toma en consideración el encogimiento,
el endurecimiento o las isotermas de
21
adsorción. El cálculo de velocidad de
secado se encontrara con la ley de Fick. (3)
∂ X ∂2
X
(19)
(4)
= Def
∂ t ∂ x
2
X = humedad libre (Kg agua/Kg sólido
seco)
t = tiempo (h)
x = dimensión espacial (m)
Deff = coeficiente de difusión (m2
/h)
La ley de Fick puede ser aplicada para
diferentes geometrías dentro de las cuales
pueden ser esfera, rectángulo y cilíndrica.
(3)
22
X - Xs
ln vs. t
Xo - Xs
Aire de secado
Flujo de Espesor
agua
Figura 7. Mecanismo de difusión
superficial en el transporte de
vapor de agua (3)
El coeficiente de difusión Deff es
determinar mediante la graficación
experimental en términos de
(20) (4)
La pendiente del segmento lineal nos da
el Deff. Dos posibles situaciones pueden
ocurrir dentro del producto dentro del
producto durante el secado. Son el
movimiento del líquido y movimiento del
23
vapor a la superficie del producto. El
movimiento del liquido esta en función del
gradiente de concentración del producto. El
agua liquida alcanza la superficie y es
evaporada. El vapor de agua dentro del
producto puede entenderse en términos de
difusión de Knudsen. (3)
Producto
Vapor de agua
d
Figura 8. Mecanismo de difusión de
Knudsen del transporte de vapor de agua (3)
El movimiento del vapor es una función de
la densidad del vapor y la difusividad del
vapor dentro del producto. Mientras que el
flujo de vapor se ve afectado por el tamaño
de los poros, tortuosidad y la geometría (3)
.
24
dx 2 d 2 R T
= -Є ψ β ρ Dk (22) Dk =
dt 3 π M
(21) (4)
Є = porosidad
Ψ = tortosidad
β = factor de geometría
ρ = densidad del vapor
Dk = difusividad de Knudsen
R = constante universal de los gases
T = temperatura absoluta (ºK)
M = peso molecular del agua
d = diámetro del poro (m)
1.4.1.2.2 Movimiento capilar de la humedad
durante el secado
La teoría capilar se relaciona con el
movimiento del líquido a través de los
poros. A medida que se evapora el agua,
las fuerzas capilares se ponen en acción
debido a la tensión interfacial entre el agua
y el medio calefactor. Estas fuerzas
25
X1 ρs Xc Xc
t = ln
Rc X
proporcionales el impulso para desplazar el
agua a través de los poros hasta la
superficie de secado. El flujo capilar ha sido
aceptado como un mecanismo clave
durante el secado. (3)
Se llama tiempo de secado cuando el flujo
capilar controla el periodo de velocidad
decreciente (3)
.
(23) (4)
ρs = densidad del sólido en kilogramos
(Kg./m3
)
Xc = humedad critica (Kg. de agua/Kg.
sólido seco)
X1 = espesor (m)
X = humedad promedio al tiempo (t)
Xs = humedad en la superficie (Kg. de
agua/Kg. sólido seco)
26
X1 ρs Xc Xc
t = ln
h (Tbs – Tbh) X
Como se enseña en la ecuación 9
(24) (4)
Por lo tanto el tiempo de secado entre
límites fijos de humedad varía directamente
con el espesor y depende de la velocidad,
la temperatura y la humedad del gas. (3)
Concluyendo las ecuaciones que definen el
tiempo de secado para el periodo de
velocidad constante y decreciente son:
(25) (4)
tc = z ρs λw (X1 – Xc)
GCs (T1-Tw) ( 1-exp ( -haz/ GCs))
(26) (4)
z ρs λw Xc ln(X1 / Xc)
Td =
GCs (T1-Tw) ( 1-exp ( -haz/ GCs))
27
Donde :
a : factor de forma y superficie especifica,
m2
/ m3
z: espesor
1.5 Contenido de humedad crítica:
Este es un parámetro importante, pues divide las dos zonas o etapas
principales del mecanismo de secado. Los datos disponibles indican
que el contenido crítico medio de la humedad para un tipo de sólido
dado depende de la concentración final de la humedad. Si es muy
rápido el secado durante el periodo de régimen constante y si
además, el sólido es grueso, se desarrollan dentro de este gradiente
excesivo, comenzando el periodo de caída del régimen con altos
contenidos medios de humedad.
Generalmente, el contenido crítico de humedad aumentara al
elevarse la velocidad de secado (con regímenes altos de secado) y
con mayor espesor de sólido. También este proceso depende del
mecanismo de movimiento de la humedad (3)
.
1.6 Comportamiento de los sólidos durante el secado
El secado de un material se puede verificar haciendo uso de gráficos
de perfiles de secado versus tiempo de secado hallado
28
experimentalmente. La velocidad del secado de una muestra se
puede determinar haciendo uso de las siguientes metodologías:
1. Por medio de una curva de contenido de humedad y tiempo de
secado.
2. Haciendo una curva de Velocidad (sacada por la diferencia del
contenido de humedad de dos medidas dividido por el periodo de
tiempo entre éstas) versus contenido de humedad (13)
.
1.7 Desarrollo de deshidratación
El Desarrollo de la deshidratación ha sido dividida en cuatro grupos o
generaciones.
1.7.1 Primera Generación
Los secadores de cabina y cama (túnel). Estos secadores
involucran el aire caliente sobre una gran área de producto
para ser removidos de la superficie. Generalmente los
secadores de esta generación son útiles para materiales
sólidos como granos, frutas picadas y vegetales, o productos
triturados.
29
Estos secadores están constituidos por un alimentador, un
calentador, un colector (separador de producto y aire), y el
arreglo de estos componentes es característico de cada tipo
de secador.
1.7.1.2 Secador de bandejas
Son los más antiguos y aún los más utilizados. Este
equipo consiste esencialmente en una cámara o
cabina aislada térmicamente y conteniendo aire que
se circula internamente por medio de un ventilador;
esta dotado también de un calefactor (intercambiador
de calor), por el que pasa el aire y después, a través
de unas ventanas ajustables, se dirige el mismo
horizontalmente entre las bandejas con el producto o
verticalmente a través de las bandejas y la capa del
producto. Un esquema de una de las formas de este
tipo de secador se muestra en la figura 9. La
recirculación requerida del aire y la entrada de aire
fresco al secador se controla o regula por medio de
compuertas y placas ajustables. Los calentadores de
aire pueden trabajar directamente con gases de
combustión de hornos, por vapor vivo (a presión), en
30
forma de radiadores o con resistencias eléctricas en
los modelos mas pequeños. (13)
Las ventajas del secado en bandejas son que cada
lote del material se seca separadamente, se pueden
tratar lotes de tamaños desde 10 hasta 250 kg, para
el secado de materiales no necesita de aditamentos
especiales. Estos equipos tienen dos variaciones,
una de secado directo en el cual el aire caliente es
forzado a circular por las bandejas. La otra de secado
indirecto, donde se utiliza el aire caliente proveniente
de una fuente de calor radiante dentro de la cámara
de secado y una fuente de vacío o un gas circulante
para que elimine la humedad del secador. Véase la
figura 8. (13)
Figura 9. Esquema general de un secador de
bandejas (13)
31
Las bandejas pueden ser de fondo liso o enrejado.
En estas últimas, el material se debe colocar sobre
un papel, tela o fibra sintética especial donde la
circulación del aire caliente fluye sobre el material
desde arriba hasta abajo. El material de soporte debe
facilitar la limpieza y prevenir la contaminación del
producto. En el secador la temperatura y el flujo
deben ser muy uniformes. En general la velocidad de
flujo recomendada para 100 kg del material es de 200
pies/min. Los granulados obtenidos en este secador
son más densos, duros e irregulares que los
obtenidos en por lecho fluidizado, ya que éstos
tienden a ser más porosos, menos densos y más
esféricos. (13)
La desventaja de estos equipos es que algunos
colorantes y ciertos fármacos solubles en agua
tienden a migrar desde el centro del gránulo hasta la
superficie durante el secado. (13)
La fuente energética de estos secadores puede
ser vapor, electricidad, o hidrocarburos como carbón,
32
petróleo, aceite y gas. Estos dos últimos calientan
mucho más y son de bajo costo de funcionamiento,
pero tienen el inconveniente de contaminar el
producto y producir explosiones. Los secadores que
funcionan con vapor son más baratos que los
eléctricos y se aconsejan para equipos grandes.
1.7.2 Segunda Generación
Están dirigidos a la deshidratación de productos líquidos y
purés. Entre estos se encuentran los secadores de spray y los
secadores de tambor los cuales sirven para obtener polvo y
flakes. El secador de spray involucra la formación de la
partícula y secado (contacto con el aire) de manera similar
que el secador de lecho fluidizado, secado flash, granulación
en spray, aglomeración de spray, el secado por atomización
es un proceso en el cual la partícula esta en suspensión.
La mayor diferencia entre secado en spray, lecho fluidizado y
secado flash son las características de alimentación; en
cuanto al tiempo de residencia el secado por atomización
tarda entre 5 y 100 segundos mientras que el de lecho
fluidizado lo hace entre 1 y 300 minutos. El tamaño de
33
partícula que manipula el de atomización esta entre 10 y 500
µm y el lecho fluidizado oscila entre 10 y 3000 µm.
1.7.2.1 Secador de tambor
Utiliza transferencia de calor por conducción a través
de la superficie del sólido. Generalmente se usa para
producir polvo y flakes. Los productos obtenidos por
lo general se usan en panificación, jugos, cereales,
granola y lácteos. Estos secadores consisten en
cilindros metálicos que rotan en sus ejes horizontales
y son calentados internamente con vapor, agua
caliente, etc. Pueden clasificarse de: tambor simple y
tambor doble. Las ventajas son: mayor velocidad de
secado y uso económico de energía.
1.7.3 Tercera Generación
1.7.3.1 Liofilización
La liofilización fue desarrollada en los años cuarenta.
Disminuye los daños estructurales y minimiza las
perdidas de aroma y flavor. La liofilización consiste en
dos pasos:
1. El producto es congelado
34
2. El producto es secado por sublimación del hielo
a baja presión. Existen tres variables que se
deben considerar:
a. Vacío dentro del recipiente
b. Energía radiante aplicada al alimento y
c. Temperatura del condensador
1.7.3.2 Deshidratación osmótica
Concentración del producto mediante la inmersión en
una solución hipertónica.
1.7.4 Cuarta Generación
En la actualidad aun son estudiados e involucran mayor vacío,
fluidización, uso de microondas, RF (ahorran energía por eso
se estudian mucho) y el concepto de tecnología de barreras.
CAPÍTULO 2
2. CONSTRUCCIÓN DEL SECADOR DE BANDEJA
Los secaderos de bandeja son secaderos de pequeña escala usados en
laboratorios y plantas piloto para experimentar sobre secado de diversos
materiales (3)
.
Las condiciones experimentales pueden ser variadas para permitir la
demostración de los aspectos teóricos y prácticos de la operación de
secado a escala industrial. El aire es introducido a la cámara con un
ventilador de flujo axial, situado en uno de los extremos del túnel. La
velocidad del aire a través del secadero es ajustada regulando la
velocidad del ventilador. Un banco de resistencias eléctricas se encuentra
situado corriente arriba del compartimiento de secado permitiendo elevar
la temperatura del aire variando la potencia de las mismas. El
compartimiento de secado tiene aproximadamente 0.105 m3
de capacidad
y es equipado con una puerta de acceso de vidrio. Una bandeja, con una
capacidad de almacenamiento de sólido de 4 kg aproximadamente, se
encuentra ubicada dentro de la cámara. (9)
36
El túnel, corriente arriba y corriente abajo del compartimiento de secado,
ha sido diseñado para producir un flujo de aire uniforme sobre las
bandejas.
En la parte superior del secador se ha acoplado una balanza gramera ha
la que se le ha alargado el plato en donde se ubica la muestra, de tal
forma que este se encuentre dentro de la campana de secado.
Se cuenta con un interruptor general que es quien activa el paso de
corriente al equipo, un panel de control en donde se encuentran ubicados
los interruptores para encendido del blower y un selector para variar la
velocidad; adicionalmente un selector para variar la potencia de las
resistencias las que están directamente relacionadas con la variación de
la temperatura. (9)
Foto 1. Botoneras Foto 2. Perillas
37
2.1 Componentes del secador de bandeja
Los componentes utilizados según su uso:
Parte eléctrica:
o Aislante de porcelana
o Resistencias de 1000 wats en espiral de niquelina sin forro 220
voltios
Accesorios eléctricos:
o Cable concéntrico 3*6
o Cable numero 10
o Cable numero 12
o Enchufe bifásico 35 – 50 Amperios (tipo pata de gallina)
o Acrílico
Estructura Metálica y accesorios:
o Plancha galvanizada
o Plancha de acero inoxidable brillante
o Lana de vidrio
o Malla de acero inoxidable
o Eje de acero inoxidable
o Vidrio para puertas del horno
o Tubin de acero inoxidable
o Soldadura de acero inoxidable
o Soldadura
38
Suministro de aire:
o Blower de ¼ de hp
Instrumentos de medición
o Balanza
o Termo higrómetro
o Termómetro bimetalico de bolsillo
Instrumentos de control
o Breque doble 40 AMP
o Botonera ON/OFF
o Contactor de 50 AMP 220 Voltios
o Termostato para horno de rango 50 – 300 ºC
o Swich infinito
Auxiliares para construcción
o Tornillos de acero inoxidable de 1 y 1/3 de pulgada de largo.
o Anillos planos y de presión de acero inoxidable
o Pernos de acero inoxidable
o Visagras para puerta de acero inoxidable
o Seguro de puerta que no conduce calor
o Caucho para cocina 2 metros
39
2.1.1 Estructura externa del secador y sus dimensiones
1.80 m
Foto 3. Secador de bandeja
En un ducto rectangular el diámetro equivalente del equipo
corresponde a la siguiente ecuación:
(27)(4)
)(
2
ba
ab
Dr
+
=
Donde a es base y b es la altura de la campana
mDr 518.0
)35.01(
)35.0*1(2
=
+
=
2.1.2 Blower
Los ventiladores se utilizan para bajas presiones, en general
con ciertas características de presión, se los utiliza para
0.45 m
0.45 m
40
trabajos de ventilación, suministro de corriente de aire a
hornos y calderas, desplazamie0nto de grandes volúmenes
de aire o gas por ductos, suministros de aire para
desecación, transporte de materiales suspendidos en
corrientes de gas, eliminación de humos, etc. (4)
Foto 4. Ventilador (Blower)
Funcionamiento del ventilador
El funcionamiento de un ventilador centrifugo varia con los
cambios de condiciones, como la temperatura, la velocidad y
de la densidad del gas que se maneje. (4)
Cuando varía la temperatura del aire o el gas, los caballos de
potencia y la presión varían en proporción inversa a la
temperatura absoluta (cuando la velocidad y la capacidad se
mantienen constantes).
41
Cuando varía la densidad del aire o el gas, los caballos de
potencia y la presión varían en proporción directa a la
densidad (se mantienen constantes la velocidad y la
capacidad) (4)
.
Las velocidades que se alcanzan luego de hacer variaciones
en el voltaje del blower son:
smCFMVT
smCFMVS
smCFMVR
/19.4403
/24.5502
/34.7701
==→
==→
==→
2.1.3 Instrumentos de medición
Balanza
La balanza romana (brazos iguales y desiguales) pesan
masas, es decir son independientes de la aceleración de la
gravedad g. La romana (compensación exclusivamente por
peso móvil) facilita el montaje con impresión de talones de
peso. (9)
42
Foto 5. Balanza
Termo higrómetro
Los higrómetros eléctricos miden la resistencia eléctrica de
una capa de materiales que absorben la humedad, expuestos
al gas. Se han empleado gran variedad de elementos
sensores.
Su operación consiste en medir temperatura y humedad
relativa.
Foto 6. Termohigrómetro
43
Manual de uso del termohigrómetro
Para el uso del termohigrómetro es necesario tener claro su
función y su modo de empleo.
Existen dos formas de tomar la temperatura: con un censor
metálico y con el láser, el uso de estos dependerá del grado
de temperatura a la que se este trabajando ya que el primero
solo puede tomar hasta una temperatura de 75ºC y el otro
llega hasta 250ºC.
La misma se toma encendiendo el termohigrómetro e
introduciendo el brazo de plástico en el equipo y para usar el
láser se debe presionar el botón de color rojo y apuntar hacia
donde deseamos, los valores empezaran a moverse ya que
en el interior del secador hay aire en movimiento, así que hay
que presionar la tecla hold para que dé una lectura promedio.
El porcentaje de humedad relativa se obtiene al mismo
tiempo que se censa la temperatura.
Termómetro bimetalico de bolsillo
El bimetal termostático se define como un material
compuesto que constan de tiras o fletes de dos o mas
metales unidos entre si. Debido a los diferentes índices de
expansión de sus componentes, esta composición tiende a
44
cambiar de curvatura cuando se somete a una variación de
temperatura. (9)
Foto 7. Termómetro Bimetalico Digital
Cuando se mantiene fijo un extremo de una tira recta, el otro
sufre una deflexión proporcional al cambio de temperatura y
al cuadrado de la longitud, y el sentido inverso al espesor, a
lo largo de la porción lineal de la curva característica de
deflexión. Si una tira bimetálica se enrolla en forma helicoidal
o como espiral y se fija uno de sus extremos, el otro extremo
girara al aplicársele calor. Para un termómetro con división de
escala uniformes, el elemento bimetálico se debe diseñar de
tal manera que tenga una deflexión lineal a lo largo del
intervalo de temperatura deseada. (9)
2.1.4 Instrumentos de control
Breque doble 40 AMP
Los equipos eléctricos están protegidos de sobrecargas
45
eléctricas por medio de fusibles o breques (interruptores de
circuito).
Los breques hacen la misma función que los fusibles, con la
ventaja que pueden ser restaurados manualmente en lugar
de tener que ser reemplazados. (9)
Foto 8. Breque
Botonera ON/OFF
Las botoneras desempeñan un papel clave en la
comunicación hombre-máquina. Una botonera de este tipo
abre el paso de una señal que activa el sistema y según el
sistema universal es de color verde; la de color rojo es quien
detiene el paso de la corriente y hace que el sistema se
apague. Para poder cumplir su tarea, deben tener un alto
grado de funcionalidad. (9)
46
Foto 9. Botoneras
Contactor de 50 AMP 220 Voltios
Son conexotes de seguridad, maniobrados y mantenidos en
posición de servicio por fuerza electromagnética. Vuelven a
su posición de reposo tan pronto cesa de actuar sobre ellos
la acción electromagnética. Poseen una gran potencia de
conexión con pequeñas potencias de excitación. (9)
Foto 10. Contactor
47
Termostato para horno de rango 50 – 300 ºC
Interruptor que controla la temperatura cambiante. Sus
funciones normales son finalizar un ciclo, mantener una
temperatura constante, o apagar y encender el
electrodoméstico. (9)
Foto 11. Termostato para horno
Swich infinito
Un switch (interruptor) es un dispositivo de interconexión de
sistemas de ordenadores. Un switch interconecta dos o más
segmentos de estos sistemas, funcionando de manera similar
a los puentes, pasando datos de una red a otra, de acuerdo
con la dirección de destino de los diagramas del sistema. (9)
48
Foto 12. Swich infinito
2.2 Esquema del secador de bandeja
El esquema del secador que sigue se indica por medio de números
y que se mencionan:
Figura 10. Esquema del secador construido (12)
1. Caja de instalaciones eléctricas
2. Ventilador (blower).
3. Banco de resistencias.
4. Balanza analógica ubicada sobre la bandeja.
54 62 31
49
5. y 6. Cámara para estrangulamiento del aire.
2.3 Método de operación del secador de bandeja
Dependiendo de la muestra que se vaya a secar y en que tiempo se
lo quiera hacer se debe de variar los parámetros que son
fundamentales en un proceso de secado como son la temperatura y
la velocidad del aire. (13)
Para operar el secador de bandeja correctamente, se ha realizado el
siguiente esquema que facilita su uso del secador.
1. Obtener muestras de igual tamaño y forma del producto que se
desea secar.
2. Abrir la puerta del secador.
3. Ubicar las muestras del producto a secar en la bandeja y una
de ellas en la canastilla para realizar el estudio.
4. Cerrar la puerta del secador.
5. Conectar el enchufe en la toma corriente.
6. Regular el flujo de aire de la operación con la perilla 1
7. Colocar la temperatura necesaria para la operación con la
perilla 2 (anexo 25)
8. Encender el equipo presionando el botón de color verde
50
9. Ubique el termohigrómetro frente al vidrio, dispare el censor
láser y constate la temperatura seleccionada con la perilla.
10. Establecer el intervalo de tiempo deseado para registrar la
perdida de peso
11. Anotar la variación de peso hasta que esta se vuelva constante.
12. Para apagar el equipo presione el botón de color rojo y deje
enfriar hasta que lea 45°C en el termómetro de bolsillo.
13. Regrese todas las perillas a cero
14. Retire la muestra seca
15. Retire cualquier resto del producto que se encuentre en el
secador
16. Cierre la puerta
17. Desconecte el equipo
CAPÍTULO 3
3. PRACTICAS DE LABORATORIO EN EL SECADOR
DE BANDEJAS
3.1 Familiarización con un secador de bandejas
Introducción
El uso de diferentes equipos en las industrias necesitan del
conocimiento de ciertos conceptos que son básicos para el correcto
manejo de ellos. En varios procesos industriales es necesario
conocer y manejar la tabla psicrométrica que ayuda a resolver
muchos de los problemas que se presentan diariamente en una
fabrica.
3.1.1 Uso de la carta psicrométrica
La tabla psicrométrica involucra la ganancia o pérdida de
humedad en aire. Para conocer su forma de uso es necesario
conocer los siguientes conceptos:
52
Temperatura del bulbo seco (Tbs): es la temperatura de la
mezcla por la inmersión del termómetro en la mezcla sin
ninguna modificación del termómetro. (4)
Humedad relativa: % saturación relativa: Se define como la
relación entre la presión parcial de vapor de agua en el
sistema y la presión parcial de vapor de agua en condición
saturado a la misma temperatura del sistema. (4)
Porcentaje de saturación o porcentaje de humedad
absoluta. Se define como la relación entre las moles de vapor
por mol de gas libre de vapor y los moles de vapor que
estarían presentes por mol de gas libre de vapor si la mezcla
estuviera completamente saturada a la temperatura y presión
total vigentes. (4)
Calor húmedo: es la cantidad de calor en J o KJ requerido
para elevar la temperatura de un kilogramo de aire seco más
el vapor de agua presente, en un grado kelvin o un grado
centígrado. (4)
Entalpía de la mezcla aire-vapor: es definida como las
sumas de entalpías del gas y el vapor. (4)
Punto de rocío- Es la temperatura a la cual la mezcla se
satura cuando se enfría a presión constante. Si la mezcla es
enfriada a una temperatura menor al punto de rocío el agua
53
se condensará. El punto de rocío puede determinarse de la
tabla psicrométrica. (4)
Temperatura de bulbo húmedo (Tbh): se conocen dos
temperaturas de bulbo húmedo: la temperatura de bulbo
húmedo psicrométrica y la termodinámica. Para aire húmedo
las dos temperaturas son aproximadamente iguales (4)
.
Observar la figura 1.
Objetivos
• Familiarizarse con el equipo de secado
• Conocer los instrumentos que forman parte del secador
• Aprender a leer la tabla psicrométrica
• Determinar humedad absoluta, flujo volumétrico,
temperatura de bulbo húmedo, temperatura de bulbo seco
Requerimientos
Termohigrómetro
Secador de bandeja
Procedimiento
1. Encienda el equipo con el botón verde, ajuste la perilla 1
del blower hasta T en donde obtendrá una velocidad de
54
4.19 m/s; y además regule la temperatura hasta que
alcance 65 o 75ºC según sea el caso (anexo 25).
2. Abra la puerta del equipo y ubique el termohigrómetro
dentro del secador, lea la temperatura de bulbo seco y la
humedad relativa del aire. Esto se debe repetir cada vez
que varíe la temperatura.
3. Con los datos obtenidos vaya al anexo 2 y obtenga los
siguientes datos: Humedad absoluta (Ha), entalpía (H1) y
temperatura de bulbo húmedo (Tbh).
Resultados y discusión
Tbs Hr Ha H1 Tbh
65ºC
75ºC
55
Ejemplo
Tabla 1. Valores obtenidos de la carta psicrometrica
Tbs Tbh Hr Ha H1
65 ºC 45 ºC 32 %
4.050(KJ/Kg
aire seco)
0.042(Kg agua/Kg
aire seco)
75 ºC 53 ºC 30 %
4.500(KJ/Kg
aire seco)
0.085(Kg agua/Kg
aire seco)
• ¿Al aumentar la temperatura de proceso que sucede con la
humedad relativa, aumenta o no?, Explique.
Nomenclatura
Tbs: temperatura de bulbo seco (ºC)
Tbh: temperatura de bulbo húmedo (ºC)
Ha: entalpía del aire (KJ/Kg aire seco)
Hr: humedad relativa del aire (%)
H1: humedad absoluta inicial (Kg agua/Kg aire seco)
Vs: volumen especifico (m3
Kg aire seco)
56
3.2 Balance macroscópico de materia en un proceso de secado
Introducción
Un balance de masa está basado en el axioma que dice: “la materia
no se crea ni se destruye, sólo se transforma”. En este sentido, un
balance de masa se define como la verificación de la igualdad
cuantitativa de masas que debe existir entre los insumos de entrada
y los productos y residuos de salida. El balance de masa es
aplicable tanto a un proceso como a cada una de las operaciones
unitarias (2)
.
La figura 11 ilustra el concepto de entradas y salidas de una
operación unitaria; y la figura 12 ilustra un detalle de las posibles
masas que deben cuantificarse para hacer un balance de masa. (2)
Figura 11. Principios de entrada y salida de una Operación
unitaria (15)
57
Objetivos
• Determinar la cantidad de agua que pierde el producto durante un
proceso de secado a diferentes tiempos y temperaturas.
• Realizar un balance de materia en un secador con flujo de aire
constante. (Dicho balance se hará determinando la cantidad de
agua que gana el aire comparada con la que pierde el producto)
Requerimientos
Plátano de seda
Medidor de Bernier
Cuchillo
Termohigrómetro
Secador de bandeja
Figura 12. Componentes típicos de un balance de masa (15)
58
Determine la humedad final durante el secado de trozos de banano
• Diámetro = 2.51 cm
• Espesor = 0.5 cm
• Peso inicial del producto = 3.2 g
• Humedad en base húmeda = 0.729 g de agua/g de producto
• Contenido de agua = (3.2) (0.729) = 2.3328 g de agua
• Contenido de materia seca = 3.2 – 2.3328 = 0.8672 g materia seca
• Humedad en base seca = 2.3328 / 0.8672 = 2.69 Kg agua / Kg.
materia seca
Procedimiento
Antes de comenzar la experiencia asegúrese de que las
instalaciones eléctricas del equipo estén bien conectadas (cap. 2)
1. Determine la humedad inicial (X1) de la muestra a secar
2. Introduzca el material a secar dentro del equipo, en la canasta y
determine su peso inicial.
3. Cierre la puerta de entrada del secador
4. Encienda el equipo con el botón verde, ajuste la perilla 1 del
blower hasta T en donde obtendrá una velocidad de 4.19 m/s y
además regule la temperatura con la perilla 2 hasta que alcance
65 o 75ºC según sea el caso (anexo 25).
59
5. Determine la velocidad del aire que entra al proceso con la ayuda
del anemómetro.
6. Calcule el caudal másico con la ecuación 28 y 29.
(28), (29) (4)
ρ..AVGm =
4
2
2
D
A
π
=
ρ: Obtener de la anexo 18
Gm: Caudal másico
7. Determine la humedad inicial (H1) a la salida del secador.
8. Determine la humedad del aire a la salida del secador (H2) con la
ayuda del termohigrómetro.
9. De la ecuación 30 calcule la humedad final del aire (X2)
(30)(4)
Masa producto (X1 – X2) = Masa aire (H1 – H2)
(31) (4)
OH
OH
Heq
2
2
%100
%
−
=
.
10.Comprobar los resultados obtenidos con lo experimental.
11.Este procedimiento se puede repetir a diferente temperatura y
velocidad del aire.
60
12.Obtener las humedades en base seca del producto a 65ºC y
75ºC del anexo 8 y 15 respectivamente
Para hallar el aire seco, según su flujo:
X = Cantidad de aire – Cantidad de humedad en el aire
X = Kg aire seco – (Kg de agua/Kg de aire seco)
X = Kg aire seco
Cálculos
Ejemplo:
Datos:
ºT del aire (65 ºC)
ρ aire: 1.0105 Kg/m3
Vaire: 4.19 m/s
Humedad producto
(Kg H2O/Kg s.s)
ºT Inicial -------------- final
Humedad del aire
(Kg H2O/Kg a.s)
ºT Inicial ---------- final
65ºC 65ºC
75ºC 75ºC
61
H1: 0.042 Kg aire/Kg aire seco
Dblower: 0.075 m
A: 4.5 x 10-3
m2
OH
OH
Heq
2
2
%100
%
−
=
25.0100
25.0
−
=Heq
Heq = 2.5 x 10-3
Kg H2O / Kg a. s.
XeqXtX −=
ssKgOHKgsKgsOKgHxsKgsOKgHXentrada ../.6875.2./105.2./69.2 22
3
2 =−= −
ssKgOHKgsKgsOKgHxsKgsOKgHXsalida ../.0353.0./105.2./037.0 22
3
2 =−= −
ρ..1 AVG m
=
)/3600)(/0105.1)(105.4)(/19.4( 323
1 hsmKgmxsmGm
−
=
)/4.68(32.0/4.681 hKghKgGm
−=
hsaKgGm
/..5.461 =
Masa producto (X1 –X2) = Masa aire (H2 – H1)
)../.042.02(5.46)../.0353.0../.687.2(..87.0 222 saKgOHKgHssKgOHKgssKgOHKgssKg −=−
OKgHH
OHKg
2042.02
5.46
2.3.2
−=
62
2042.0049.0 H=+
hOKgHH /091.02 2=
Datos:
ºT del aire (75 ºC)
ρ aire: 1.0105 Kg/m3
Vaire: 4.19 m/s
H1: 0.042 Kg aire/Kg aire seco
Dblower: 0.075 m
Dplatano: 3 cm
Espesor del Plátano: 0.5 cm
A: 4.5 x 10-3
m2
OH
OH
Heq
2
2
%100
%
−
=
22.0100
22.0
−
=Heq
Heq = 2.2 x 10-3
Kg H2O / Kg a. s.
XeqXtX −=
ssKgOHKgsKgsOKgHxsKgsOKgHXentrada ../.6878.2./102.2./69.2 22
3
2
=−= −
63
../.0240.0./102.2./0263.0 22
3
2
sKgsOHKgsKgsOKgHxsKgsOKgHXsalida =−= −
ρ..1 AVG m
=
)/3600)(/982.0)(105.4)(/19.4( 323
1 hsmKgmxsmGm
−
=
)/4.68(3.0/4.681 hKghKgGm
−=
hsKgaGm
/.62.461 =
Masa producto (X1 –X2) = Masa aire (H2 – H1)
)../.085.02(62.46)../.0240.0../.6878.2(..87.0 222 saKgOHKgHssKgOHKgssKgOHKgssKg −=−
OKgHH
OHKg
2
2
085.02
62.46
.317.2
−=
2085.00497.0 H=+
hOKgHH /1347.02 2=
Nota: Experimento realizado al mismo tiempo y con condiciones
de operación similares.
64
Resultados y discusión
Tabla 2. Valores de masa inicial y final del producto y del aire a
diferentes temperaturas
• Cómo le afecta la variación de temperatura a la capacidad que
tiene el aire para secar el producto.
Nomenclatura
- X: humedad libre (Kg agua/Kg sólido seco)
- Xt: humedad (Kg agua/Kg sólido seco)
- Xeq: humedad de equilibrio (Kg agua/Kg aire seco)
- G: densidad de flujo másico del aire (Kg/m2
h)
- V: velocidad (m/s)
- ρ : densidad (m3
/Kg)
- A : area (m2
)
Masa de producto (cantidad de agua)
Humedad producto base seca
ºT Inicial -------------- final
Masa de aire (cantidad de agua)
Humedad del aire
ºT Inicial ---------- final
65ºC
2.6875 x10-3
Kg.H2O/Kg s.s
0.0353
Kg.H2O/Kgs.s 65ºC
0.042 Kg
H2O/h
0.091
Kg H2O/h
75ºC
2.6875 x10-3
Kg.H2O/Kg s.s
0.0240
Kg.H2O/Kgs.s 75ºC
0.085
Kg H2O/h
0.1347
Kg H2O/h
65
- X1: concentración inicial (%)
- X2: concentración final (%)
- H2: humedad absoluta final (Kg agua/h)
- H1: humedad absoluta inicial (Kg agua/Kg aire seco)
- Hr: humedad relativa de aire (%)
- Masa de aire: Kg aire seco/h
- Masa de producto : Kg sólido seco/h
66
3.2.1 Influencia del tamaño de la partícula
Introducción
Generalmente si se produce la conducción del calor a través
del sólido las ecuaciones indican valores menores de
velocidad de secado al incrementarse el espesor del sólido.
No obstante, la conducción del calor a través de los bordes de
las superficies de los recipientes y las bandejas puede ser
una importante fuente de calor que alcance a originar
aumento en la velocidad de secado, si las superficies de los
bordes que no son de secado están aisladas o si se produce
el secado desde la superficie del sólido la velocidad de
secado es independiente del espesor. (13)
Objetivo
• Determinar la influencia del espesor en el proceso de
secado midiendo su humedad final a un mismo tiempo.
Requerimientos
Plátano de seda
Medidor de Bernier
Cuchillo
Termohigrómetro
67
Secador de bandeja
Procedimiento
1. Mida la humedad inicial de la fruta que va a utilizar.
2. Haga cortes de una misma fruta con diferente espesor y
ubíquelas en el secador al mismo tiempo.
3. Espere 90 minutos mientras ocurre el proceso de secado.
4. Luego de este tiempo mida la humedad final.
Resultados y discusión
Muestras
(dimensiones) H1 (porcentaje) H2(porcentaje)
0.25 cm.
0.5 cm.
1 cm.
Ejemplo:
Condiciones de operación:
ºT Velocidad de aire Hr t
65ºC 4.19 m/s 32% 90 min
68
Tabla 3. Valores de humedad final a diferentes espesores
Muestras
(dimensiones) H1 (porcentaje) H2(porcentaje)
0.25 cm. 85% 14 %
0.5 cm. 85% 25 %
1 cm. 85% 49 %
Disminucion del espesor
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 1,5
Tiempo (hora)
Espesor(cm)
muestra 1
muestra 2
muestra 3
• ¿Como afecta el espesor en el tiempo de secado, se obtiene
mayor o menor humedad cuando el espesor se incrementa,
explique?
Nomenclatura
- Tbs: temperatura de bulbo seco (°C)
- D : diámetro (m)
- V: velocidad (m/s)
Figura 13. Disminución del espesor vs tiempo
69
- ρ : densidad (m3
/Kg)
- Re : Numero de Reynolds (adimensional)
- Qm : flujo másico de aire (Kg/s )
- A : area (m2
)
- X1 : concentración inicial (%)
- X2 : concentración final (%)
- H2: humedad absoluta final (Kg agua/h)
- H1: humedad absoluta inicial (Kg agua/Kg aire seco)
- Hr: humedad relativa de aire (%)
70
3.3 Balance macroscópico de energía en un proceso de secado
Introducción
En todo proceso en donde existe transferencia de calor existe un
medio calefactor que es el encargado de calentar el fluido que estará
en contacto con el producto y lo secara.
En un secador de bandeja el generador de calor generalmente son
resistencias eléctricas y el medio que transfiere el calor es el aire. Un
balance de energía en este secado seria comparar el calor que
entrega el equipo comparado con el que recibe el producto que se
esta secando más lo que se pierde al medio ambiente y que se
representa con la siguiente ecuación.
(32) (4)
221111 **** HsFsHaFaQHsFsHaFaQ ++=++
La figura 14 muestra un diagrama en el que se representan las
entradas y salidas de energía que ocurren en un proceso o en una
operación unitaria. (2)
71
Objetivo
• Obtener la cantidad de calor que se añade al producto durante el
proceso de secado.
Requerimientos
Plátano de seda
Medidor de Bernier
Cuchillo
Termohigrómetro
Secador de bandeja
Figura 14. Entradas y salidas de energía en un proceso o en una
operación unitaria (2)
72
Procedimiento
1. Calcular la entalpía del aire a la entrada y salida del secador con
la siguiente ecuación, o con la carta psicrometrica.
(33) (4)
oλ*)(1 XToTaCsHa +−=
(34) (4)
WCs *884.1005.1 +=
2. Obtener la entalpía del producto que se seca a la entrada y a la
salida del secador definiendo para cada caso sus valores con la
siguiente ecuación:
El valor Cpa lo obtenemos de la anexo 19
(35)
(4)
100
2.0*)100(
100
Pp
Cp
−
+=
(36) (4)
)(*)( ToTsCpaWToTsCpsHs −+−=
3. Reemplazando en la ecuación 32 obtenemos el calor que
requiere el producto para que alcance la humedad deseada.
73
Cálculos
Ejemplo:
Datos:
ºT del aire 65ºC
P: 72.9 g/100g peso Ver anexo 1
Entrada del aire
oKgaireKJCHa sec/050.4)º65( =
Valores de Ha 65 ºC 75 ºC
Entrada de aire
Salida de aire
Valores de Hs 65 ºC 75 ºC
Entrada del producto
Salida del producto
Calor entregado por
fuente externa 65 ºC 75 ºC
Q
74
Salida del aire
oKgaireKJCHa sec/5.3)º52( =
Entrada del producto
100
2.0*)100(
100
Pp
Cp
−
+=
100
2.0*)9.72100(
100
9.72 −
+=Cp
CKgKcalCp º/7832.0=
KcalKJCsKgsKcalX 1/7.4186*º./7832.0=
KJX 02.3279=
)(*)( ToTsCpaWToTsCpsHs −+−=
)021)(18.4(*)6875.2()021(02.3279 −+−=Hs
sKgsKJHs ./69095=
Salida del producto
)(*)( ToTsCpaWToTsCpsHs −+−=
)047)(18.4(*)0353.0()047(02.3279 −+−=Hs
ssKgKJHs ../875.154120=
75
221111 **** HsFsHaFaQHsFsHaFaQ ++=++
87.154120*87.05.3*88.460095.69*87.0050.4*88.46 ++=++Q
hKJQ /72.73946=
Datos:
ºT del aire (75ºC)
P: 72.9 g/100g peso Ver anexo 1
Entrada del aire
oKgaireKJCHa sec/5.4)º75( =
Salida del aire
oKgaireKJCHa sec/1.4)º62( =
Entrada del producto
100
2.0*)100(
100
Pp
Cp
−
+=
100
2.0*)9.72100(
100
9.72 −
+=Cp
CKgKcalCp º/7832.0=
76
KcalKJCsKgsKcalX 1/7.4186*º./7832.0=
KJX 02.3279=
)(*)( ToTsCpaWToTsCpsHs −+−=
)021)(18.4(*)6878.2()021(02.3279 −+−=Hs
sKgsKJHs ./75.69095=
Salida del producto
)(*)( ToTsCpaWToTsCpsHs −+−=
)051)(18.4(*)0240.0()051(02.3279 −+−=Hs
ssKgKJHs ../136.167235=
221111 **** HsFsHaFaQHsFsHaFaQ ++=++
14.167235*87.01.4*62.46075.69095*87.05.4*62.461 ++=++Q
hKJQ /61.853621 =
77
Resultados y discusión
Tabla 4. Valores de entalpía del aire
Tabla 5. Valores de entalpía del producto
Tabla 6. Calor que necesita el producto para secar
• Verificar los resultados obtenidos por el método practico:
(determine la humedad final experimentalmente)
• Si existiera recirculación en el sistema que ventajas y que
desventajas se presentaría en el secador.
Valores de Ha 65 ºC 75 ºC
Entrada de aire 4.050 KJ/Kg aire seco 4.5 KJ/Kg aire seco
Salida de aire 3.5 KJ/Kg aire seco 4.1 KJ/Kg aire seco
Valores de Hs 65 ºC 75 ºC
Entrada del producto 69095 KJ/Kg s.s 69095.75 KJ/Kg s.s
Salida del producto 154120.875 KJ/Kg s.s 167235.136 KJ/Kg s.s
Calor entregado por
fuente externa 65 ºC 75 ºC
Q 73946.72 85362.61
78
Nomenclatura
Q1: Calor añadido al secador mediante cualquier fuente externa
QL: Calor que se pierde al medio ambiente
Ha: Entalpía del aire (KJ/Kg de aire seco)
Cs: Calor especifico del aire húmedo
To: Temperatura de referencia (0o
C)
λo: Calor latente del agua a la temperatura de referencia (2501.4
KJ/Kg del agua usando aire y vapor de agua saturado a 0o
C como
punto de referencia)
Hs: Entalpía del sólido
Cps: Calor especifico del sólido (Kcal/Kg sólido seco ºC)
Cpa: Calor especifico del agua (KJ/Kg K)
Fs: Flujo de sólido (Kg de sólido seco/h)
Fa: Flujo de aire (Kg de aire seco/h)
W: Humedad (Kg de agua/Kg de aire seco)
Ts: Temperatura de entrada del producto
Ta: Temperatura del aire a la entrada (medida con el termómetro de
bulbo seco)
H1: humedad absoluta inicial (Kg agua/Kg aire seco)
H2: humedad absoluta final (Kg agua/h)
P: peso de la muestra
79
3.4 Tipos de flujo de aire y número de Reynolds
Introducción
Recibe su nombre en honor de Osborne Reynolds (1842-1912),
quien lo describió en 1883.
El número de Reynolds es una cantidad adimensional que
determina el tipo de flujo (laminar o turbulento) que presenta un
fluido. En dinámica de fluidos, número adimensional que puede
utilizarse para definir las características del flujo dentro de un
conducto (6)
.
El Número de Reynolds se definió como la relación existente entre
las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas (o de rozamiento) (6)
.
(37) (4)
asvisFuerzas
InercialesFuerzas
N
cos
Re =
µ
ρ VD ..
=
Este número es adimensional y puede utilizarse para definir las
características del flujo dentro de una tubería. El número de
Reynolds proporciona una indicación de la pérdida de energía
causada por efectos viscosos. Observando la ecuación anterior,
cuando las fuerzas viscosas tienen un efecto dominante en la
pérdida de energía, el número de Reynolds es pequeño y el flujo se
encuentra en el régimen laminar. Si el Número de Reynolds es 2100
80
o menor el flujo será laminar. Un número de Reynold mayor de 10
000 indican que las fuerzas viscosas influyen poco en la pérdida de
energía y el flujo es turbulento. (6)
Objetivo
• Determinar el número de Reynolds en el secador de bandeja a
diferentes flujos de aire.
Requerimientos
Secador de bandeja del laboratorio de operaciones unitarias
Termohigrómetro
Plátano de seda
Medidor de Bernier
Cuchillo
Procedimiento
La práctica consta de dos partes, ya que analizaremos condiciones
de aire a temperatura ambiente y a otras temperaturas mayores.
Primera parte:
1. Encienda el blower del secador
2. Mida la velocidad del aire que sale del blower con la ayuda de
81
las ecuaciones 29 y 38.
(38) (4)
VAQ =
3. Lea la temperatura en el termómetro de bulbo seco
4. Ubique en la tabla de aire la densidad y Viscosidad, anexo 18.
5. Calcule el numero de Reynolds utilizando la ecuación 13
Segunda parte
En la segunda parte prenderemos las resistencias para que se
caliente el aire.
1. Con la misma velocidad anterior.
2. Regule la temperatura a 60ºC (anexo 25)
3. Del anexo 18 obtener la densidad y viscosidad a 60ºC
4. Calcular el numero de Reynolds (Re) con la ecuación 13
5. Calcular el flujo másico con la ecuación 28.
Cálculos
ºT D (m) V(m/s) µ(Pa.s) ρ(Kg./m3
) Re
25 ºC
60ºC
82
Ejemplo
Primera parte
µ
ρDV
C =º30Re
sPax
mKgsmm
C
.)610682.18(
)37127.1)(/19.4)(0762.0(
Re º30
−
=
6.19260Re º30 =C
Segunda parte
µ
ρDV
C =º60Re
sPax
mKgsmm
C
.)610907.19(
)37025.1)(/19.4)(0762.0(
Re º60
−
=
4.116439Re º60 =C
Resultados y discusión
Tabla 7. Valores del número de Reynolds
ºT D (m) V(m/s) µ(Pa.s) ρ(Kg./m3
) Re
25 ºC 0.0762 4.19 18.682 x 10-6
1.127 19260.6
60ºC 0.0762 4.19 19.907 1.025 16439.4
83
• ¿Qué sucede con el número de Reynolds si el D de la boca del
blower disminuye o aumenta?
• ¿Qué sucede con el número de Reynolds cuando las resistencias
están trabajando y aumenta la temperatura del aire?
Nomenclatura
Tbs : temperatura de bulbo seco (°C)
D: diámetro (m)
V: velocidad (m/s)
ρ: densidad (m3
/Kg)
µ : viscosidad (C-poise)
Re: Numero de Reynolds (adimensional)
Q: flujo volumétrico (m3
/s)
A: área (m2
)
84
3.5 Determinación de coeficiente de transmisión de calor por
convección en un secador de bandeja
Introducción
La transmisión de calor se define como la transferencia de energía
de una región a otra debido a gradientes de temperatura existentes
entre las dos regiones. En los procesos térmicos de los alimentos es
muy importante conocer las características de transmisión de calor.
En esta práctica se presenta como evaluar el coeficiente de
transmisión de calor entre un fluido y un sólido, tal como en secado.
(13)
Objetivo
• Determinar el coeficiente de transmisión de calor por convección
de un producto colocado en un secador de bandeja a velocidad de
aire y temperatura constante.
Requerimientos
Plátano de seda
Medidor de Bernier
Cuchillo
Termohigrómetro
Secador de bandeja
85
Procedimiento
1. Ubique la muestra a secar
2. Regule la perilla 1 de velocidad 4.19 m/s y la perilla 2 de la
temperatura de 60, 70 y 80ºC (anexo 25).
3. Obtenga las siguientes propiedades del aire según su
temperatura de trabajo anexo 18.
(39)
(2)
G = V ρ
4. Determine el valor de densidad de flujo másico de aire según la
ecuación 39
5. Determine el valor del coeficiente pelicular de transferencia de
calor según la ecuación 14.
Cálculos
TemperaturasValores de densidad de flujo y del
coeficiente de transmisión de calor 60 ºC 70 ºC 80 ºC
G (kg/m2
h)
h (w/m2
hºK)
86
Ejemplo:
Datos:
Obtenidos del anexo 18
G = V ρ
G60 = (4.19 m/s) (1.025 Kg./m3
) (3600/1h)
G60 = 15461.1 Kg/m2
h
G70 = 15023.7 Kg/m2
h
G80 = 14601.3 Kg/m2
h
h = 0.0204 G0.8
h60 = 45.82 w/m2
hºK
h70 = 44.78 w/m2
hºK
h80 = 43.77 w/m2
hºK
ºC ρ
60 1.025
70 0.996
80 0.968
87
Resultados y discusión
Tabla 8. Valores del coeficiente de transferencia de calor y
densidad de flujo másico
Temperatura
60 ºC 70 ºC 80 ºC
G (kg/m2
h) 15461.1 15023.7 19601.3
h (w/m2
hºK) 45.82 44.78 43.77
• Como cree usted que afectaría el incremento de temperatura en la
determinación del coeficiente de transferencia de calor, esta
aumenta, disminuye o se mantiene constante. Demuéstrelo.
Nomenclatura
a. base (m)
b: altura (m)
µ: viscosidad (C-poise)
ρ: densidad (m3
/Kg)
D: diámetro (m)
V: velocidad (m/s)
h: coeficiente de transmisión de calor por convección (W/m2
ºK)
88
3.5.1 Influencia de la velocidad de aire
Introducción
La velocidad del aire afecta directamente al número de
Reynolds y es principalmente quien define si el fluido tiene un
comportamiento laminar o turbulento. Por esto afecta también
al Nusselt y como consecuencia a h ya que éste esta en
función de él.
Esta variación del coeficiente convectivo de transferencia de
calor puede ayudar a definir cuales son las condiciones
optimas de operación del sistema en donde se analicen
tiempo y economía y se logre la eficiencia en el proceso de
secado.
Objetivo
• Determinar como afecta la variación de la velocidad en el
coeficiente convectivo de transferencia de calor.
Procedimiento
1. Defina una velocidad de aire en el blower
2. Mantenga una temperatura constante de operación
89
3. Para esa temperatura (anexo 25), determine densidad (ρ)
del anexo 18
4. Determine el valor de h y G con la ayuda de las
ecuaciones 14 y 39.
5. Repita el experimento a diferentes velocidades.
Requerimientos
Secador de bandeja
Cálculos
V (m/s) ρ G h
R = 7.34
S = 5.24
T = 4.19
Ejemplo:
Datos:
ºT del aire 65ºC
GR = V. ρ
GR = (7.34 m/s). (1.025 Kg/m3
)
GR = 27084.6 Kg/m2
h
90
GS = V. ρ
GS = (5.24 m/s). (1.025 Kg/m3
)
GS = 19335.6 Kg/m2
h
GT = V. ρ
GT = (4.19 m/s). (1.025 Kg/m3
)
GT = 15461.1 Kg/m2
h
hR = 0.0204 G0.8
hR = 0.0204 (27084.6) 0.8
hR = 71.75 w/m2
hºK
hS = 0.0204 G0.8
hS = 0.0204 (19335.6) 0.8
hS = 54.79 w/m2
hºK
hT = 0.0204 G0.8
hT = 0.0204 (15461.1) 0.8
hT = 45.82 w/m2
hºK
91
Resultados y discusión.
Tabla 9. Valores de densidad, densidad de flujo másico y
coeficiente convectivo de transferencia de calor a diferentes
velocidades
V (m/s) ρ G h
R = 7.34 1.025 27084.6 71.75
S = 5.24 1.025 19335.6 54.79
T = 4.19 1.025 15461.1 45.82
Variacion de h Vs. V (m/s)
0
20
40
60
80
4,19 5,24 7,34
Velocidad de aire (m/s)
Coeficientede
Transferenciadecalor
Figura. 15 Variación de h vs V (m/s)
92
Discusión
• Que cree usted que sucedería (demuéstrelo):
• Si se aumenta la velocidad y disminuye la temperatura.
• Si se aumenta la velocidad y aumenta la temperatura.
• Si se disminuye la velocidad y disminuye la temperatura.
• Si se disminuye la velocidad y aumenta la temperatura
Nomenclatura
V: velocidad (m/s)
ρ: densidad (m3
/Kg)
G: densidad de flujo másico de aire (Kg/m2
h)
h: coeficiente de transmisión de calor por convección (W/m2
ºK.)
93
3.6 Aplicación de la ley de Fick para determinar el coeficiente de
difusión en el secado de alimentos
Introducción
Los fenómenos de transporte tienen lugar en aquellos procesos,
conocidos como procesos de transferencia, en los que se establece
el movimiento de una propiedad ( masa, momentum o energía) en
una o varias direcciones bajo la acción de una fuerza impulsora. Al
movimiento de una propiedad se le llama flujo.
La ley de Fick es el modelo matemático que describe la transferencia
molecular de masa, en sistemas o procesos donde puede ocurrir
solo difusión o bien difusión más convección.
Una vez analizada la ley de Fick, se observa la necesidad de
disponer de valores numéricos del parámetro difusividad. (13)
(40) (4)
XcXo
XsX
r
−
−
=
2
8
π
=
2
1
1 hnn
∑
∞
= 24
2
L
Deffhn
e
−
(41) (4)
hn = 2n – 1
94
Objetivos
• Determinar los valores del coeficiente de difusión de transferencia
de masa y comprobar la aplicación de la ley de Fick.
• Obtener información sobre el mecanismo de transferencia de agua,
durante la deshidratación de frutas.
Requerimientos
Isoterma de absorción del producto a utilizar.
Plátano de seda
Medidor de Bernier
Cuchillo
Termohigrómetro
Secador de bandeja
Procedimiento
1. Regule la perilla 1 de velocidad de flujo de aire y la perilla 2 de
temperatura (anexo 25)
2. Encienda el equipo con el botón verde
3. Trocee la fruta que desea secar y ubíquela en la canastilla
dentro del equipo.
4. Determine la humedad en la superficie con la ayuda de la
isoterma de absorción del banano anexo 24
95
X - Xs
ln vs. t
Xo - Xs
5. Mida la humedad inicial del producto, anexo 1.
6. Determine la humedad de la muestra al tiempo t.
7. Saque la pendiente de la parte lineal de la grafica, que es igual al
valor de Deff.
Nota: el valor de Xs = Xe
Cálculos
Muestra Deff
Plátano (65ºC)
Plátano (75ºC)
Ejemplo:
96
ºT del aire 65ºC
0,01
0,1
1
10
20
30
40
50
60
90
120
150
180
210
240
Tiempo (min)
ln(X-Xs)/(Xo-Xs)
Figura. 16 Grafico experimental para determinar Deff a 65ºC
Obteniendo la pendiente de esta grafica tenemos el valor de Deff
Deff = 0.0105
ºT del aire 75ºC
0,001
0,01
0,1
1
10
30
50
90
150
210
Tiempo (min)
ln(X-Xs)/(Xo-Xs)
Figura 17. Grafica experimental para obtener Deff a 75ºC
97
Obteniendo la pendiente de esta grafica tenemos el valor de Deff
Deff = 0.0142
Resultados y discusión
Tabla 10. Valores del coeficiente de difusión en secado de
plátano a 65 y 75 ºC
Muestra Deff
Plátano (65ºC) 0.0105
Plátano (75ºC) 0.0142
• Compare con cálculos como afecta el espesor de una misma
muestra en el coeficiente de difusión.
Nomenclatura
H1: humedad absoluta inicial (Kg agua/Kg aire seco)
H2: humedad absoluta final (Kg agua/h)
x1: espesor (m)
Deff: coeficiente de difusión
n. vector normal de unidades (adimensional)
Xs: humedad de la superficie
98
3.7 Obtención de la curva de velocidad de secado en frutas.
Introducción
El secado es un fenómeno complejo que involucra la transferencia
de calor y materia (el transporte de calor hacia dentro del material y
el transporte de agua hacia el exterior).
Existen muchos mecanismos posibles de secado, pero aquellos que
controlan el secado de una partícula dependen de su estructura,
contenido de humedad inicial, contenido de humedad de equilibrio
de la partícula de las condiciones de secado (temperatura,
velocidad y humedad relativa del aire), contenido de humedad,
dimensiones, superficie expuesta a la velocidad de transferencia, y
contenido de humedad de equilibrio de la partícula. Durante el
secado con aire bajo condiciones ambientales constantes, la curva
de secado puede ser dividida en los siguientes cuatro períodos de
velocidad de secado figura 18 (13)
:
En la figura 18 se muestra los 4 periodos de velocidad de secado.
Figura 18 Curva de velocidad de secado vs humedad.
99
3.7.1 Calculo de periodo de velocidad constante
Introduccion
En el periodo de velocidad constante en la que se elimina el
agua de la superficie del producto es igual a la velocidad con
que llega desde el interior del mismo, de esta manera la
superficie del material se mantiene constantemente mojada, y
se comporta como una masa de líquido. Si la transmisión de
calor tiene lugar solamente por convección, la temperatura de
la superficie del sólido permanece constante e igual a la
temperatura húmeda del aire de secado. Esta temperatura
puede determinarse mediante un diagrama psicrométrico del
aire húmedo. La velocidad de secado permanecerá constante
mientras exista agua libre en la totalidad de la superficie del
alimento (13)
Objetivo
• Calcular el valor total de evaporación (VTE)
Requerimientos
Isoterma de absorción del producto a utilizar.
Plátano de seda
Medidor de Bernier
100
Cuchillo
Termohigrómetro
Secador de bandeja
Procedimiento
Para obtener el valor total de evaporación en una superficie
es necesario encontrar los siguientes parámetros:
1. Obtenga el valor de la densidad:
Masa de aire seco + masa de humedad
(42) (4)
ρaire =
(Vh)
2. Obtenga el valor de h con la ayuda de ecuación 14
3. Determine el valor de calor latente de vaporización (λw)
para temperatura de bulbo húmedo (Tbh) en el anexo 3
4. Usando la ecuación 9 determine el valor de la velocidad
de secado. (Rc)
5. En el anexo 2 entre con temperatura de bulbo seco (Tbs)
y humedad relativa del aire (Hr) y obtenga la humedad
absoluta (H1).
101
6. Por lo que la velocidad total de evaporación para una
superficie esta dada por:
(43) (4)
VTE = Rc. A
Cálculos
Muestra A Rc VTE
Plátano (65ºC)
Plátano (75ºC)
Ejemplo:
Datos.
ºT del aire (65ºC)
Área: 9.62 x 10-4
m2
Vh = (2.83 x10-3 + 4.56 x10-3 (H)) ºT
Vh = (2.83 x10-3 + 4.56 x10-3 (0.092)) (65 ºC + 273)
Vh =1.021 m3/Kg
1 + 0.042
ρaire = = 1.020
1.021
102
G = V ρ
G = (4.19 m/s) (1.020 Kg/m3
)
G = 4.06 Kg/ms x 3600 s/h
G = 15385.68 Kg/m2
h
h = 0.0204 G0.8
h = 45.64 w/m2
ºK
095110305
λ w = ∆h
λ w = entalpía vapor saturado – entalpía liquido saturado
λ w = 2583.2 – 188.45
λ w = 2394.75 (KJ/ Kg)
h (T – Tbh)
Rc =
λ w
(45.64 – KJ/hm2
ºK (65 – 45) ºK
Rc =
2394.75 KJ/Kg
103
Rc = 1.37 Kg/hm2
VTE = 1.46 Kg/hm2
(9.62 x 10-4
m2
)
VTE = 1.3 x 10-3
Kg/h
Datos:
ºT del aire (75ºC)
Área: 9.62 x 10-4
m2
Vh = (2.83 x10-3 + 4.56 x10-3 (H)) ºT
Vh = (2.83 x10-3 + 4.56 x10-3 (0.085)) (75 ºC + 273)
Vh =1.1197
1 + 0.085
ρaire = = 0.969
1.1197
G = V ρ
G = (4.19 m/s) (0.969 Kg/m3
)
G = 4.06 Kg/ms x 3600 s/h
G = 14616.396 Kg/m2
h
h = 0.0204 G0.8
104
h = 43.80 w/m2
ºK
λ w T w
X 53ºC
X = 2597.38 (vapor)
X = 221.732 (liquido)
λ w = ∆h
λ w = entalpía vapor saturado – entalpía liquido saturado
λ w = 2597.38 – 221.732
λ w = 2375.698 (KJ/ Kg)
h (T – TW)
Rc =
λ w
(157.66 – KJ/hm2
ºK (75 – 53) ºK
Rc =
2375.648 KJ/Kg
Rc = 1.46 Kg/hm2
105
VTE = 1.46 Kg/hm2
(9.62 x 10-4
m2
)
VTE = 1.4 x 10-3
Kg/h
Resultados y discusión
Tabla 11. Valores de velocidad de secado y de velocidad total
de evaporación a una misma área
Muestra A Rc VTE
Plátano (65ºC) 9.62x10-4
m2
1.37 Kg/hm2
1.3x10-3
Kg/h
Plátano (75ºC) 9.62x10-4
m2
1.46 Kg/hm2
1.4x10-3
Kg/h
• ¿Que ocurre con la velocidad de secado al aumentar la
temperatura?
Nomenclatura
Vh: volumen húmedo (m3
/Kg sólido seco)
H: humedad del aire (Kg agua/Kg aire seco)
T: temperatura absoluta (ºK)
ρaire: densidad del aire (Kg/m3
)
G: densidad de flujo másico del aire (Kg/s m2
)
V: velocidad (m/s)
ρ: densidad (m3
/Kg)
106
λ w: calor latente del vapor a la temperatura del bulbo (KJ/Kg
de agua)
Tbh: temperatura de bulbo húmedo (ºK)
VTE: velocidad total de evaporación (Kg/h)
Rc: velocidad de secado (Kg/hm2
)
A: área (m2
)
107
3.7.2 Calculo de periodo de velocidad decreciente
Introducción
El contenido de humedad al final del período de velocidad
constante es el contenido de humedad crítico (Xcr). En este
punto la superficie del sólido ya no se encuentra saturada de
agua, y la velocidad de secado disminuye con el
decrecimiento en el contenido de humedad y el incremento en
la temperatura. En el punto final de este período, el film de
humedad superficial se ha evaporado completamente y, con
el posterior decrecimiento en el contenido de humedad, la
velocidad de secado es controlada por la velocidad de
movimiento de la humedad dentro del sólido. (13)
Objetivo
• Determinar la velocidad de secado para el régimen de
velocidad decreciente.
Procedimiento
1. Anote el peso inicial de la fruta.
2. Coloque la muestra en el secador
3. Registre la variación del peso de la fruta hasta que no
exista cambio.
108
4. Registre el tiempo que transcurrió durante esta etapa de
secado.
Los datos se toman del anexo 8 y 15: peso de sólido seco
(Wt), humedad inicial (Xo), humedad final (Xf) y el tiempo
en el periodo de velocidad decreciente
(43) (4)
tbd
XfXoWt
Rd
)( −
=
Nota: tbd se determina experimentalmente, con la grafica.
Curva de velocidad de secado
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
2,692,111,650,90,270,09
Humedad libre Kg agua/ Kg s.s
velocidaddesecado
Kg/hm2
Figura. 19 Curva de velocidad de secado a 65ºC
109
Curva de velocidad de secado
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
2,691,881,190,550,150,05
Humedad libre Kg agua/ Kg s.s
VelocidaddesecadoKg/
hm2
Figura. 20 Curva de velocidad de secado a 75ºC
Requerimientos
Isoterma de absorción del producto a utilizar.
Plátano de seda
Medidor de Bernier
Cuchillo
Termohigrómetro
Secador de bandeja
Cálculos
Datos:
ºT del aire (65ºC)
Peso: 0.0008672 Kg s.s
Xo: 2.687 Kg H2O/Kg s.s
110
Xf: 0.0353 Kg H2O/Kg s.s
Tiempo: 180 min
tbd
XfXoWt
Rd
)( −
=
3
)03532288.06875369.2(0008672.0 −
=Rd
24
/106.7 hmKgxRd −
=
Datos:
ºT del aire (75ºC)
Peso: 0.0008672 Kg s.s
Xo: 2.687 Kg H2O/Kg s.s
Xf: 0.0010 Kg H2O/Kg s.s
Tiempo: 190 min
tbd
XfXoWt
Rd
)( −
=
16.3
)00102878.06875369.2(0008672.0 −
=Rd
24
/103.7 hmKgxRd −
=
111
Resultados y discusión:
Tabla 12. Valores de velocidad de secado en el periodo
decreciente
Muestra Rd (65ºC) Rd (75ºC)
Plátano 7.6x10-4
7.3x10-4
• Como influye el espesor del sólido en determinar la velocidad
de secado en este periodo, aumenta o disminuye a mayor
espesor ?. Explique.
• Se podría decidir el tiempo de secado midiendo el espesor del
sólido, explique.
Nomenclatura
Wt: peso de sólidos secos (g)
Xo: humedad inicial (Kg agua/Kg sólido seco)
Xf: humedad final (Kg agua/Kg sólido seco)
Tbd: tiempo de secado en el periodo de velocidad decreciente
(h)
H2: humedad en base seca (Kg agua/h)
%H2O: porcentaje de humedad (%)
112
3.7.3 Calculo de tiempo de secado
Introduccion
La velocidad con que se seca el producto depende,
normalmente, de la rapidez con que se desarrolla la
transmisión de calor y la transferencia de materia. El
transporte de la cantidad de movimiento esta relacionado con
las características de los ventiladores que han de impulsar el
aire de secado.
Objetivo
• Determinar el tiempo total de secado el cual consta de dos
etapas, el periodo de velocidad constante y el periodo de
velocidad decreciente para diferentes frutos.
Requerimientos
Isoterma de absorción del producto a utilizar.
Plátano de seda
Medidor de Bernier
Cuchillo
Termohigrómetro
Secador de bandeja
113
Procedimiento
1. Regule la perilla 1 de velocidad de aire y la perilla 2 de
temperatura (anexo 25).
2. Encienda el equipo presionando el botón verde
3. Coloque la muestra a secar dentro de la canastilla en el
equipo.
4. Determine el calor específico del aire húmedo (Cs) del
anexo 18
5. Determine la humedad relativa del aire con la ayuda del
termohigrómetro.
6. Determine el valor de humedad critica (Xc ) de la figura 19
y 20 según sea el caso.
7. Obtenga los datos requeridos para usar la siguiente
formula: espesor (z), humedad inicial (Xo) del anexo 8 y
15, humedad critica (Xc) del anexo 8 y 15 , temperatura de
bulbo seco (Tbs) definida por la temperatura de trabajo y
temperatura de bulbo húmedo (Tbh) con el
termohigrómetro, coeficiente convectivo de transferencia
de calor (h)según el procedimiento de la practica 3.5,
factor de forma geométrica (a) que para facilidad de
cálculos se lo considera como la unidad, densidad de flujo
114
másico (G), calor latente de vaporización a la temperatura
de bulbo húmedo (λw ) según el anexo 3.
(44) (4)
)/exp(1)((
)( 1
sbhbss
cws
GChazTTGC
XXz
tc
−−−
−
=
λρ
8. Determine el tiempo de secado para el periodo de
velocidad decreciente según la ecuación que sigue:
determine la humedad final del producto (Xf) según el
anexo 8 y 15.
(45) (4)
)/exp(1)((
)ln(
sbhbss
fccws
GChazTTGC
XXXz
td
−−−
−
=
λρ
(49) (4)
Tts = tc + td
Cálculos
Muestra Tc(horas) Td(horas) Tts(horas)
Plátano(65ºC)
Plátano(75ºC)
115
Ejemplo
Datos:
ºT del aire 65ºC
Z: 0.5 cm
X1: 2.6875 Kg H2O/Kg s.s
Xc: 1.41 Kg H2O/Kg s.s
Tbs: 65ºC
Tbh: 45ºC
h: 45.24 W/m2
ºK
a: 1m2
/m3
G: 4.23 Kg/m2
s
ρs: 724.7 Kg/m3
λw :2394.75 KJ/Kg H2O
)/exp(1)((
)( 1
sbhbss
cws
GChazTTGC
XXz
tc
−−−
−
=
λρ
G = V ρ
G = 4.23395 Kg/m2
s
))015.1*23395.4/()105*1*24.45(exp(1)(4565)(015.1)(23395.4(
)41.16875.2)(75.2394)(7.724)(105(
3
3
−
−
−−−
−
=
x
x
tc
horastc 711.0=
116
)/exp(1)((
)/ln(
sbhbss
fccws
GChazTTGC
XXXz
td
−−−
=
λρ
))0175.1*23395.4/()105*1*4524(exp(1)(4565)(0175.1)(23395.4(
)035322878.0/41.1ln()41.1)(75.2394)(7.724)(105(
3
3
−
−
−−−
=
x
x
td
horastd 89.2=
Tts = tc + td
Tts = 0.71 + 2.89
Tts = 3.6 horas
Datos:
ºT del aire 75ºC
Z: 0.5 cm
X1: 2.6875 Kg H2O/Kg s.s
Xc: 0.8428 Kg H2O/Kg s.s
Tbs: 75ºC
Tbh: 53ºC
h: 43.80 W/m2
ºK
a: 1m2
/m3
G: 4.06 Kg/m2
s
ρs: 724.7 Kg/m3
λw :2375.64 KJ/Kg H2O
117
)/exp(1)((
)( 1
sbhbss
cws
GChazTTGC
XXz
tc
−−−
−
=
λρ
G = V ρ
G = 4.06 Kg/m2
s
))0165.1*06.4/()105*1*80.43(exp(1)(5375)(0165.1)(06.4(
)84281.06878369.2)(648.2375)(7.724)(105(
3
3
−
−
−−−
−
=
x
x
tc
horastc 94.0=
)/exp(1)((
)/ln(
sbhbss
fccws
GChazTTGC
XXXz
td
−−−
=
λρ
))0165.1*06.4/()105*1*80.43(exp(1)(5375)(0165.1)(06.4(
)024.0/8428.0ln()8428.0)(65.2375)(7.724)(105(
3
3
−
−
−−−
=
x
x
td
horastd 53.1=
Tts = tc + td
Tts = 0.94+ 1.53
Tts = 2.47 horas
118
Resultado
Tabla 13. Valores del tiempo total de secado
Muestra Tc(horas) Td(horas) Tts(horas)
Plátano(65ºC) 0.71 2.89 3.6
Plátano(75ºC) 0.94 1.53 2.47
Actividades
• Según su análisis como cree usted que afecta la porosidad
del fruto en la determinación del tiempo total de secado,
explique.
• Explique como afecta la cantidad de agua del fruto en la
determinación del periodo de velocidad constante.
Nomenclatura
Tts: tiempo total de secado (h)
tc: tiempo de secado constante (h)
td: tiempo de secado decreciente (h)
z: dimensión de anchura o espesor (m)
ρs: densidad del sólido (m3
/Kg)
λw: calor latente de vapor a la temperatura de bulbo húmedo
(KJ/IKg de agua)
119
X1: concentración inicial (Kg agua/ Kg sólido seco)
Xc: humedad critica (Kg agua/ Kg sólido seco)
G: densidad de flujo másico de aire (Kg/m2
h)
Cs: calor especifico del aire húmedo (KJ/Kg ºK)
Tbs: temperatura de bulbo seco (ºC)
Tbh: temperatura de bulbo húmedo (ºC)
h: coeficiente de transmisión de calor por convección (W/m2
ºK)
a : factor de forma y superficie especifica (m2
/m3
)
CAPÍTULO 4
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En un proceso de secado existen factores muy importantes que se
pueden variar durante el mismo; pero son solo dos quienes se constituyen
en los verdaderos protagonistas del proceso. La temperatura y la
velocidad del aire marcan la forma, la calidad y el tiempo en que se
llevara a cabo este proceso.
En este secador es posible el secado de frutas sin destruir mayormente la
calidad de la misma. La textura de los alimentos es el parámetro de
calidad que mas se modifica con la desecación.
La variación en la textura depende también de las condiciones del
desecador, por ejemplo, si se usan velocidades de deshidratación rápidas
y temperaturas elevadas los cambios serán mas pronunciados que con
flujos y temperaturas mas bajos, y es por este motivo que no
recomendamos secar a temperaturas superiores a 75 Centígrados. Este
121
fenómeno sucede de la siguiente forma: a medida que el agua va
eliminándose, los solutos se desplazan hacia la superficie del alimento. Si
las temperaturas son elevadas la evaporación del agua hace que la
concentración de solutos en la superficie aumente lo que conduce a la
formación de una capa superficial dura e impenetrable. Este fenómeno se
llama acortezamiento y reduce la velocidad de deshidratación dando lugar
a un alimento seco en su superficie pero húmedo en su interior.
El calor no sólo provoca el paso del agua a vapor durante la
deshidratación, sino también la pérdida de algunos componentes volátiles
del alimento.
El incremento en la temperatura produce un incremento en la velocidad
de secado y por ende en la velocidad total de evaporación que es la
velocidad con la que se seca un área determinada. Un factor importante
que limita la temperatura en el proceso de secado es la calidad que se
quiere obtener, ya que a temperatura elevadas el producto se quema. Lo
que no es conveniente dependiendo de lo que se quiera hacer con el
producto seco.
Las condiciones de operación del sistema marcan el proceso de secado y
varían dependiendo del objetivo que queramos obtener, es así que
122
cuando se analiza cada una de las prácticas que se han elaborado en
este trabajo observamos que:
Se demuestra claramente en el balance de materia que el incremento de
la temperatura aumenta la cantidad de agua que se evapora del producto
ya que esta se ve representada con la humedad final que alcanza del
aire. Para el primer caso a 65ºC comparado con el de 75ºC la humedad
gana el aire y que es otorgada por el producto es casi la mitad de lo que
se evapora a 75ºC; este estudio se lo realizo a una misma velocidad de
aire.
Para el caso del coeficiente global de transferencia de calor, si la
temperatura de trabajo aumenta, disminuye la densidad del aire por lo
que el valor de G disminuye si se mantienen constante la velocidad. Al
disminuirse el valor de G el valor de h también lo hace ya que son
directamente proporcionales, por lo que el tiempo total de secado
aumenta.
El aumento de la velocidad del aire en un proceso de secado ocasiona
que aumente el flujo del mismo que pasa a través del producto por lo que
aumenta el valor del coeficiente global de transferencia de calor. El
123
inconveniente que se presenta por una velocidad alta es el daño del
producto por arrastre en la superficie.
El numero de Reynolds como se sabe depende del diámetro, velocidad,
densidad, viscosidad y si varían estos factores cambia el número de
Reynolds. En función de la temperatura varían la densidad y viscosidad,
es así que si aumentan la temperatura, baja la viscosidad y aumenta la
viscosidad lo que a mayor temperatura disminuye el número de Reynolds.
Se realizaron varias pruebas para muestras de plátano igual simetría,
contenido de humedad y peso con condiciones de operación diferente.
Tabla del tiempo de secado.
Velocidades
Temperaturas 4.19 m/s 5.24 m/s 7.34 m/s
65 ºC 240 min. 220 min. 200 min.
75 ºC 230 min. 215 min. 180 min.
Con lo que se concluye que para el secado de plátano los mejores
parámetros de operación (según a calidad de producto final) son 4.19 m/s
de velocidad de aire que se obtiene moviendo la perilla hasta la letra T y
ubicando una temperatura de 65 ºC, con esto se estima que el tiempo de
124
secado sea de 4 horas para plátano de seda con 72.9 g de agua/ 100 g
de peso de producto de humedad inicial y llegando hasta 0.0353
humedad en base seca.
Seria conveniente dotar de alguna malla o algún accesorio que permita
que el flujo de aire se vuelva laminar, para que las condiciones de secado
sean más estables.
Analizar la forma y textura inicial de la fruta para según eso tener una
idea que cual puede ser la temperatura de referencia para no causar
daños graves al producto durante el proceso de secado.
Como medida de precaución cuando el equipo este operando no tocar sin
un aislante (guantes) el vidrio de la puerta ya que este se calienta debido
a la temperatura del aire.
Anexo 1
Anexo 2
Carta Psicrometrica
Secado de bandejas
Secado de bandejas
Secado de bandejas
Secado de bandejas
Secado de bandejas
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Secado de bandejas
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Secado de bandejas

  • 1. ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción “Implementación de un equipo de secado para alimentos” TESIS DE GRADO Previo a la obtención del titulo de: INGENIERO DE ALIMENTOS Presentada por: Juan Carlos Merino Plaza GUAYAQUIL – ECUADOR Año: 2006
  • 2. A G R A D E C I M I E N T O A Dios, a la MSc. Fabiola Cornejo Zúñiga, al CICYT, a mis vocales, a mis padres especialmente a mi Madre, a mis hermanos, a mi novia y a todas las personas que han servido de guía y apoyo en la realización de este proyecto.
  • 3. D E D I C A T O R I A MIS PADRES MIS HERMANOS MIS ABUELITAS
  • 4. TRIBUNAL DE GRADUACIÓN Ing. Eduardo Rivadeneira P. MSc. Fabiola Cornejo Z. Decano de la FIMCP DIRECTOR DE TESIS PRESIDENTE M.Ed. Ana Maria Costa V. Ing. Manuel Helguero G. VOCAL VOCAL
  • 5. DECLARACIÓN EXPRESA “La responsabilidad del contenido de esta Tesis de Grado me corresponden exclusivamente; y el patrimonio intelectual de la misma a la ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL” (Reglamento de Graduación de la ESPOL) Juan Carlos Merino Plaza
  • 6. RESUMEN En la actualidad se esta estudiando mucho sobre la disminución de la actividad de agua de los alimentos, ésta tecnología impide el crecimiento microbiano y por lo tanto aumenta el tiempo de vida útil del alimento. La reducción de la actividad de agua puede ser obtenida por medio del secado. El proceso de secado es el más sencillo y económico que existe. El objetivo de esta tesis fue implementar un equipo de secado que permirá una mejor comprensión de lo que representan diversos procesos de operaciones unitarias durante el proceso de secado. El propósito de la construcción del secador de bandejas es potenciar a la ESPOL y a la carrera de Ingeniería en Alimentos en la preparación de sus estudiantes. Se pretende desarrollar prácticas para las materias en donde se pueda utilizar el secador, como Introducción a la Ingeniería en alimentos, Balance de materia y energía, Operaciones Unitarias 1, Operaciones Unitarias 2, Operaciones Unitarias 3 y Deshidratación y Secado de alimentos. Adicionalmente en materias en donde se realizan proyectos que consisten en crear nuevos productos como Procesamiento de alimentos 1 y 3 que tratan
  • 7. de la manipulación con frutas y hortalizas y de carnes y pescados respectivamente, el secador podría representar una variante para estos estudiantes. En el primer capítulo de la tesis se detallaran los fundamentos teóricos necesarios para la elaboración de esta tesis en donde se incluyen conceptos y formulas básicas. Con el objetivo de comprender cada uno de los mecanismos que ocurren durante la deshidratación y secado. En el segundo capítulo se mostrara los equipos que se utilizaran para la construcción del secador, la distribución y las características de cada uno de ellos. El tercer capítulo contendrá las prácticas que se desarrollaran en el equipo de secado. Cada una de las prácticas, que se desarrollaran para las materias anteriormente mencionadas, muestran una base teórica, objetivos, procedimiento, cálculos y análisis de resultados; así como preguntas para ser desarrolladas por los estudiantes.
  • 8. ÍNDICE GENERAL Pág. RESUMEN…………………………………………………………………… II ÍNDICE GENERAL…………………………………………………………. III ABREVIATURAS…………………………………………………………… IV SIMBOLOGÍA……………………………………………………………….. V ÍNDICE DE FIGURAS……………………………………………………… VI ÍNDICE DE TABLAS……………………………………………………….. VII INDICE DE FOTOS………………………………………………………… VIII INTRODUCCIÓN…………………………………………………………… 1 CAPITULO 1 1. Fundamentos de deshidratación y secado de alimentos……………. 3 1.1 Características químicas, físicas y microbiológicas de los alimentos deshidratados……………………………………………. 4 1.1.1 Actividad de agua……………………….……………………. 4 1.1.2 Estabilidad de alimentos…………………………………….. 5 1.1.2.1 Proliferación de microorganismos……………………… 5 1.1.3 Fenómenos físicos y estructurales…………………………. 6
  • 9. 1.2 Aplicación del proceso de secado………………………………… 6 1.3 Psicometría………………………………………………………….. 7 1.3.1 Curva o diagrama psicrométrico……………………………. 7 1.4 El proceso de secado………………………………………………. 8 1.4.1 Determinación de la velocidad de secado…………………. 14 1.4.1.1 Periodo de velocidad constante……………………. 14 1.4.1.2 Periodo de velocidad decreciente…………………. 19 1.4.1.2.1 Teoría de difusión (Difusión del liquido).. 20 1.4.1.2.2 Movimiento capilar de la humedad durante el secado………………………… 24 1.5 Contenido de humedad critica……………………………………... 27 1.6 Comportamiento de los sólidos durante el secado……………… 27 1.7 Desarrollo de deshidratación….…………………………………… 28 1.7.1 Primera Generación………………………………………….. 28 1.7.1.2 Secador de bandejas………………………………… 29 1.7.2 Segunda generación…………………………………………. 32 1.7.2.1 Secador de tambor………………………………….. 33 1.7.3 Tercera Generación………………………………………….. 33 1.7.3.1 Liofilización……………………………….………….. 33 1.7.3.2 Deshidratación osmótica……………………………. 34 1.7.4 Cuarta Generación…………………………………………… 34
  • 10. CAPITULO 2 2. Construcción del secador de Bandejas……………………………….. 35 2.1 Componentes del secador de bandeja…………………………… 37 2.1.1 Estructura externa del secador y sus dimensiones………. 39 2.1.2 Blower………………………………………………………….. 39 2.1.3 Instrumentos de medición…………………………………… 41 2.1.4 Instrumentos de control……………………………………… 44 2.2 Esquema del secador de bandeja..……………………………….. 48 2.3 Método de operación del secador de bandeja…………………… 49 CAPITULO 3 3. Practicas de laboratorio en el secador de bandeja………………...... 51 3.1 Familiarización con un secador de bandeja……………………… 51 3.1.1 Uso de la carta psicrométrica……………………………….. 51 3.2 Balance macroscópico de materia en un proceso de secado….. 56 3.2.1 Influencia del tamaño de la partícula……………………….. 66 3.3 Balance macroscópico de energía en un proceso de secado…. 70 3.4 Tipos de fluido de aire y número de Reynolds.………………….. 79 3.5 Determinación de coeficiente de transmisión de calor por convección en un secador de bandeja……………………………. 84
  • 11. 3.5.1 Influencia de la velocidad de aire…………………………… 88 3.6 Aplicación de la ley de Fick para determinar el coeficiente de difusión en el secado de alimentos………………………………... 93 3.7 Obtención de curva de velocidad de secado en frutas…………. 98 3.7.1 Calculo de periodo de velocidad constante……………….. 99 3.7.2 Calculo del periodo de velocidad decreciente…………….. 107 3.7.3 Calculo de tiempo de secado……………………………….. 112 CAPITULO 4 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………………………… 120 ANEXOS BIBLIOGRAFÍA
  • 12. ABREVIATURAS A: área (m2 ) A1: área de la superficie donde tiene lugar el secado A2: área de la salida del blower cm: centímetro Cp: calor especifico Cpa: calor especifico del agua Cps: calor especifico del sólido Cs. Calor específico del aire húmedo D: diámetro (m) d: diámetro característico (equivalente) DAB: difusividad molecular de la mezcla de aire agua De: diámetro equivalente Deff: coeficiente de difusión (m2 /h) Dk: difusividad de Knudsen Dr: ductos rectangulares Fa: flujo de aire (Kg. de aire seco/h) Fs: flujo de sólido (Kg. de sólido seco/h) Fs: peso de sólidos secos
  • 13. G: densidad de flujo másico de aire (Kg./m2 h) g: gramos Gm: caudal másico de aire (Kg./s) Gv: flujo volumétrico (m3 /s) H. humedad del aire h: coeficiente de transmisión de calor por convección h: hora H1: humedad absoluta inicial H2: humedad absoluta final Ha: entalpía del aire (Kj/Kg. de aire seco) hn: constante (2n-1) Hr: humedad relativa de aire Hs: entalpía del sólido Hsup: humedad superficial Hw: humedad a la temperatura de bulbo húmedo k: conductividad térmica del material sólido Kg: kilogramo Ky: coeficiente de transferencia de masa L: longitud del plato en la dirección del flujo ln: logaritmo natural m: metro M: peso molecular del agua m2 : metro cuadrado Ma: peso molecular del agua MB: peso molecular del aire
  • 14. min: minuto n: vector de normalidad N: vector normal de unidades Na: flujo de vapor de agua Nm. Velocidad de transferencia de humedad plg: pulgada Pr: numero de Prandalt Q: calor cedido por el aire Q1: calor que se pierde al medio QL: calor que se pierde al medio ambiente R: constante de los gases R: constante universal de los gases R1: velocidad de secado Rc: velocidad constante de secado Re: numero de Reynods s: segundo Sc: numero de Schmidt T: temperatura absoluta t: tiempo Ta: temperatura del aire a la entrada Tbd: tiempo de secado en el periodo de velocidad decreciente Tbh: temperatura de bulbo húmedo Tbs: temperatura de bulbo seco tc: tiempo de secado constante td: tiempo de secado decreciente
  • 15. To: temperatura de referencia Ts: temperatura de entrada del producto Tts: tiempo total de secado V: velocidad (m/s) Vh: volumen húmedo Vs: volumen especifico VTE: velocidad total de evaporación Vts: velocidad total de secado W: humedad (Kg. de agua/Kg. de aire seco) Wt: peso total de la muestra x: dimensión espacial (m) X: humedad libre X1: concentración inicial x1: espesor X2: concentración final Xc: humedad critica Xeq: humedad en equilibrio Xf: humedad final Xo: humedad inicial Xs: humedad de la superficie Xt: humedad (peso agua/peso sólido seco) Y: humedad del aire Yw: humedad del aire en la superficie del sólido
  • 16. SIMBOLOGIA %H2O: porcentaje de humedad α: coeficiente de calor latente β:factor de geometría λo: Calor latente del agua a la temperatura de referencia (2501.4 Kj/Kg. del agua usando aire y vapor de agua saturado a 0o C como punto de referencia) λw: calor latente del vapor a la temperatura del bulbo húmedo µ: viscosidad (C-poise) π: 3.1416 ρ : densidad (m3 /Kg.) Ψ: tortuosidad Є: porosidad
  • 17. ÍNDICE DE FIGURAS Pág. Figura 1. Esquema de una carta psicrométrica…….………………….. 7 Figura 2. Cambio de peso durante un proceso de secado…………… 8 Figura 3. Contenido de humedad en función del tiempo de secado… 10 Figura 4. Curva de velocidad de secado............................................. 11 Figura 5. Determinación de la velocidad de secado…………………... 13 Figura 6. Transferencia de calor y materia durante el secado……….. 15 Figura 7. Mecanismo de difusión superficial en el transporte de vapor de agua………………………………..………………… 22 Figura 8. Mecanismo de difusión de knudsen del transporte de vapor de agua…………………………………………………. 23 Figura 9. Esquema general de un secador de bandejas……………... 30 Figura 10. Esquema del secador construido………………………… …. 49 Figura 11. Principios de entrada y salida en una operación unitaria…………………………………………………………. 56 Figura 12. Componentes típicos de un balance de masa……………… 57 Figura 13. Disminución del espesor vs. tiempo…………………………. 68
  • 18. Figura 14. Entradas y salidas de energía en un proceso o en una operación unitaria……………………………………………... 71 Figura 15. Variación de h vs. V (m/s)…………………………………….. 91 Figura 16. Gráfico experimental para determinar Deff a 65ºC………. 96 Figura 17. Gráfica experimental para obtener Deff a 75ºC…………… 96 Figura 18. Curva de velocidad de secado vs. humedad……………….. 98 Figura 19. Curva de velocidad de secado a 65ºC………………………. 108 Figura 20. Curva de velocidad de secado a 75ºC………………………. 109
  • 19. ÍNDICE DE TABLAS Pág. Tabla 1. Valores obtenidos de la carta psicrometrica…………….……. 55 Tabla 2. Valores de masa inicial y final del producto y del aire a diferentes temperaturas………………………………………… 64 Tabla 3. Valores de humedad final a diferentes espesores…………… 68 Tabla 4. Valores de entalpía del aire…………………………………….. 77 Tabla 5. Valores de entalpía del producto………………………………. 77 Tabla 6. Calor que necesita el producto para secar…………………… 77 Tabla 7. Valores del numero de Reynolds……………………………… Tabla 8. Valores del coeficiente de transferencia de calor y densidad del flujo másico………………………………………………….. 87 Tabla 9. Valores de densidad, densidad de flujo másico y coeficientes convectivos de transferencia de calor a diferentes velocidades………………………………………….. 91 Tabla 10.Valores del coeficiente de difusión en el secado de plátano a 65 y 75 ºC……………………………………………………… 97 Tabla 11.Valores de velocidad de secado y de velocidad total de evaporización a una misma área……………………………… 105
  • 20. Tabla 12.Valores de velocidad de secado en el periodo decreciente 111 Tabla 13.Valores de tiempo total de secado…………………………….. 118
  • 21. ÍNDICE DE FOTOS Pág. Foto 1. Botoneras………………………………….…….………………….. 36 Foto 2. Perillas………………………………………………………………. 36 Foto 3. Secador de bandeja ……………………………………………. 39 Foto 4. Ventilador (Blower)… ………………....................................... 40 Foto 5. Balanza……………………………………………….…………. 42 Foto 6. Termohigrómetro… ……………..………………………………. 42 Foto 7. Termómetro bimetalico de bolsillo…………………………….. 44 Foto 8. Breque..………………………………………..…………………. 45 Foto 9. Botoneras…………………….………………………………….. 46 Foto 10. Contactor…………………………….. ………………………… 46 Foto 11. Termostato para horno ………………………………………… 47 Foto 12. Swich infinito…………………………………………………….. 48
  • 22. INTRODUCCIÓN La elaboración de guías de prácticas y la construcción de un secador de bandeja es de lo que se tratara en esta tesis. La cual consta de cuatro capítulos, el primero donde se da a conocer los fundamentos teóricos y las bases necesarias para entender las diferentes incógnitas en un proceso de secado. En el segundo capitulo se incluyen las partes del secador y básicamente cuenta con sistemas generales como un soplante(blower), un generador de calor (resistencias eléctricas), medidores de humedad y temperatura (termo- higrometro), cuarto de secado y una balanza para medir perdida de peso. En el tercer capitulo y como objetivo principal de la construcción de este secador es la elaboración de guías de prácticas para las materias de Introducción a la Ingeniería en Alimentos, Balance de materia y Energía, Operaciones Unitarias 1, Operaciones Unitarias 2, Operaciones Unitarias 3 y Deshidratación y Secado de Alimentos que se encuentran el tercer capitulo. Los materiales para la construcción del secador fueron otorgados por el Centro de Investigación Científica y Tecnológica (CICYT) y la Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP).
  • 23. 2 La construcción del secador se debe a que en la FIMCP no se cuenta con un equipo de secado con aire que permita a los estudiantes analizar los diversos procesos que ocurren en el secado de alimentos y además familiarizarse con el uso del secador, por eso creemos que se ayudara en la formación de los futuros profesionales.
  • 24. CAPÍTULO 1 1. FUNDAMENTOS DE DESHIDRACION Y SECADO DE ALIMENTOS El proceso de secado consiste en la remoción de un líquido de un material por la aplicación de calor, llevándose a cabo por evaporación y no por procesos mecánicos. Este proceso se logra por la transferencia del líquido a un gas no saturado como aire. El objetivo del proceso de secado es detener o disminuir el crecimiento de microorganismo así como las reacciones químicas. En alimentos se suele hablar de deshidratación (13) . Deshidratación y secado no es lo mismo; según el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos define productos deshidratados como aquellos que han sido expuestos a la remoción de agua y que poseen mas del 2.5 % de agua (base seca). Productos secos son aquellos con no mas del 2.5 % de agua (base seca) (13) .
  • 25. 4 1.1 Características químicas, físicas y microbiológicas de los alimentos deshidratados. La deshidratación o secado de alimentos no solo afecta el contenido de agua de alimentos también altera otras propiedades físicas, químicas y microbiológicas como actividad enzimático, crecimiento microbiano, dureza, viscosidad, sabor, palatabilidad (3) . 1.1.1 Actividad de agua La actividad de agua es un parámetro que durante años se ha relacionado con la estabilidad de los alimentos. En términos simples la actividad de agua (Aw) es la medida de la presión relativa de las moléculas de agua en el espacio de cabeza por encima del alimento el cual esta en un recipiente, comparado con la presión que ejerce el agua pura a la misma temperatura (2) . Se puede mencionar que Aw es un parámetro empírico que correlaciona el crecimiento microbiano y las reacciones químicas (2) . A pesar de que se ha demostrado que no es un factor determinante continúa siendo una ayuda debido a que los costos del instrumento son bajos y sus mediciones son fáciles. La FDA así como otras agencias utilizan la Aw como uno de los factores de seguridad en los sistemas alimenticios.
  • 26. 5 Asi como el pH indica el grado de acidez la Aw indica el grado de disponibilidad de agua (3) . 1.1.2 Estabilidad de alimentos: Como se observa en las curvas de estabilidad de la proliferación de microorganismos, las reacciones químicas están relacionadas con la Aw. Los aspectos de estabilidad que se pueden relacionar a la Aw y contenido de humedad son cambios microbianos, reacciones enzimáticas y no enzimáticas, cambios estructurales y físicos, destrucción de nutrientes, aroma y sabor (3) . 1.1.2.1 Proliferación de microorganismos Las células vivas son sensibles al contenido de humedad en su medio ambiente. La habilidad de los microorganismos para crecer y producir toxinas se relaciona con la actividad de agua del medio. La Aw mínima para la producción de toxinas es por lo general mayor que para el crecimiento microbiano (3) .
  • 27. 6 1.1.3 Fenómenos físicos y estructurales Cambios geométricos y estructurales en los alimentos durante el secado afecta las propiedades de transferencia de masa y la calidad del producto. Los defectos más comunes en productos deshidratados son dureza, textura como madera, rehidratación lenta e incompleta, perdida de jugosidad (típica de alimentos frescos) y cristalización de polisacáridos como almidones. El encogimiento es uno de los cambios más comunes de la deshidratación y ocurre durante las primeras etapas del secado (3) . 1.2 Aplicaciones del proceso de secado En alimentos el secado es reducir el volumen y peso de los materiales obteniendo de esta manera la disminución del costo en el transporte y almacenamiento. Adicionalmente ayuda a la conservación y estabilidad de productos animales y vegetales para disminuir el crecimiento de hongos y bacterias. En definitiva, el secado permite obtener un producto más estable, especialmente en alimentos (4) .
  • 28. 7 1.3 Psicometría Psicometría es el estudio del comportamiento de las mezclas agua- aire. La tabla psicrométrica se basa en graficar la humedad del aire en función de la temperatura. La tabla psicrométrica involucra la ganancia o pérdida de humedad en aire. (13) 1.3.1 Curva o diagrama psicrométrico Es un diagrama de humedad que muestra las características de humedad del aire. Estas curvas son representaciones gráficas de la relación entre temperatura y humedad del vapor de agua en el aire en un sistema a presión constante. Las temperaturas y volúmenes específicos se muestran en el eje horizontal, y en el vertical la humedad absoluta y la presión de vapor (13) . Figura 1.Esquema de una carta psicrométrica (3)
  • 29. 8 1.4 El proceso de secado En los procesos de secado, los datos suelen expresarse como la variación que experimenta el peso del producto que se esta secando con el tiempo observar la figura 2. Aunque a veces, los datos de secado pueden expresarse en términos de velocidad de secado (3) . Peso de muestra (g) Tiempo (h) Figura 2. Cambio de peso durante un proceso de secado. (3) El contenido en humedad del producto se define como la relación entre la cantidad de agua en el alimento y la cantidad de sólidos secos y se expresa como: (1)(4) Xt = (Wt – Fs) / Fs En la que Wt es el peso total de material en un tiempo determinado, siendo Fs el peso de los sólidos secos, y Xt es la humedad expresada como peso de agua/peso de sólido seco. En los
  • 30. 9 procesos de secado una variable muy importante es la denominada contenido de humedad libre, X. El contenido de humedad libre se puede evaluar si se considera el contenido de humedad de equilibrio: (2) (4) X = Xt – Xeq En la que Xeq es el contenido de humedad cuando se alcanza el equilibrio. Una típica curva de secado se obtiene al representar este contenido de humedad libre X frente al tiempo de secado t observar la figura 3. La velocidad de secado Rs es proporcional al cambio del contenido de humedad en función del tiempo (t): (3) (4) Rs α dX/dt Considerando la curva presentada en la figura 3, los valores individuales de dX/dt en función del tiempo, se pueden obtener a partir de la tangente trazada en la curva de X frente a t. Sustituyendo la condición de proporcionalidad en la ecuación 3 por Fs/A, la velocidad de secado se puede expresar como:
  • 31. 10 0.5 0.4 Humedad libre 0.3 (Kg agua/Kg sólidos secos) 0.2 0.1 0 5 10 15 Tiempo (h) Figura 3. Contenido de humedad en función del tiempo de secado. (3) (4) (4) Rs = - (Fs/A1) (dX/dt) Donde R es la velocidad de secado y A1 es el área de la superficie donde tiene lugar el secado. Al representar Rs frente a t se obtiene una curva similar a la que se muestra en la figura 3. El proceso de secado de un material puede describirse por una serie de etapas en las que la velocidad de secado juega un papel determinante. La figura 4 muestra una típica curva de velocidad de secado, en la que los puntos A y A’ representan el inicio de secado para un material frío y caliente. El punto B representa la condición de temperatura de equilibrio de la superficie del producto. El tiempo
  • 32. 11 transcurrido para pasar de A o A’ a B suele ser bajo y a menudo se desprecia en los cálculos de tiempo de secado. (3) Velocidad de secado Velocidad decreciente Velocidad constante X Humedad libre X (kg agua/kg sólidos secos) Figura 4. Curva de velocidad de secado. (2) El tramo de la curva B-C es conocido como periodo de velocidad constante de secado y esta asociado a la eliminación del agua no ligada del producto, en el que el agua se comporta como si el sólido no estuviera presente. Al inicio la superficie del producto se encuentra muy húmeda, presentando una actividad de agua cercana a la unidad. (3) En los sólidos porosos el agua eliminada en la superficie es compensada por el flujo de agua desde el interior del sólido. El periodo de velocidad constante continúa mientras que el agua A B C D E A’
  • 33. 12 evaporada en la superficie puede ser compensada por la que se encuentra en el interior. La temperatura en la superficie se corresponde aproximadamente a la del bulbo húmedo. En general, la velocidad de secado se determina por condiciones externas de temperatura, humedad y velocidad de aire. (3) El periodo de velocidad decreciente se da cuando la velocidad de secado ya no se mantiene constante y empieza a disminuir, además, la actividad de agua en la superficie se hace menor que la unidad. En este caso, la velocidad de secado esta gobernada por el flujo interno del agua y vapor. El punto C de la figura 4 representa el inicio del periodo de velocidad decreciente. En este punto no hay suficiente agua en la superficie para mantener el valor uno de actividad de agua. El periodo de velocidad decreciente se puede dividir en dos etapas. La primera de ellas se da cuando los puntos húmedos en la superficie disminuyen continuamente hasta que la superficie esta seca completamente (punto D), mientras que la segunda etapa del periodo de velocidad de secado decreciente se inicia en el punto D, cuando la superficie esta completamente seca, y el plano de evaporación se traslada al interior del sólido. El calor requerido para eliminar la humedad es trasferido a través del sólido en la corriente de aire que va hacia la superficie. A veces no existen
  • 34. 13 diferencias remarcables entre el primer y segundo periodo de velocidad decreciente. (3) La cantidad de agua eliminada en este periodo puede ser baja, mientras que el tiempo requerido puede ser elevado, ya que la velocidad de secado es baja. La determinación experimental de la velocidad de secado se basa en un principio simple: medida del cambio del contenido de humedad durante el secado. El material que se desea secar se introduce en una bandeja y es expuesto a una corriente de aire. La bandeja se suspende de una balanza colocada en un armario o conducto por el que fluye aire. El peso del material se va anotando en función del tiempo de secado. La figura 5 muestra un esquema típico utilizado en la determinación de velocidad de secado (3) . Escala Soplante Figura 5.Determinación de la velocidad de secado (3) Calentador Túnel de secado
  • 35. 14 1.4.1 Determinación de la velocidad de secado 1.4.1.1 Periodo de velocidad constante Durante el periodo de secado de velocidad constante, los fenómenos de transporte que tienen lugar son la transferencia de materia de vapor de agua hacia el medio ambiente desde la superficie del producto a través de una película de aire que rodea el material y la transferencia de calor a través del sólido. Mientras dura el proceso de secado la superficie del material permanece saturada de agua, ya que la velocidad de movimiento de agua desde el interior del sólido es suficiente para compensar el agua evaporada en la superficie. Si se supone que solo existe transferencia de calor hacia la superficie del sólido por conveccion desde el aire caliente y transferencia de materia desde la superficie hacia el aire caliente observar la figura 5, los balances de materia y calor se pueden expresar como: (5) (4) Na = Ky (Yw - Y)
  • 36. 15 (6) (4) Q = h A1 (Tbs - Tbh) Aire (T, H, Y) Superficie húmeda Figura 6. Transferencia de calor y materia durante el secado (3) h = coeficiente de transferencia de calor (W/m2 °K) A1 = área de secado (m2 ) Tbh = temperatura de bulbo húmedo (°C) Tbs = temperatura de bulbo seco (°C) Na = flujo de vapor de agua (mol Kg / sm2 ) Yw = humedad del aire en la superficie del sólido (Kg agua/Kg aire seco) Y = humedad del aire (Kg agua/ Kg aire seco) Ky = coeficiente de transferencia de masa (adimensional) Q Flujo de vapor de agua Na Superficie (Tw, Hw,Yw)
  • 37. 16 La cantidad de calor necesaria para evaporar el agua en la superficie es: (7) (4) Q = Na Ma λ w A1 Ma = peso molecular del agua λw = calor latente de vapor a la temperatura de bulbo húmedo (Tbh) (J/Kg) Por lo tanto la velocidad de secado con esas ecuaciones (8) (4) Rc = Ky MB (Hw – H) ó h (T – Tw) q (9) (4) Rc = = λw λw A MB = peso molecular del aire Hw = humedad a la temperatura de bulbo húmedo H = humedad del aire Transferencia de masa Transferencia de calor
  • 38. 17 Por lo tanto en ausencia de transferencia de calor por conducción, radiación, la temperatura del sólido esta a la temperatura del bulbo húmedo del aire durante el periodo de secado de velocidad constante. Por lo tanto es posible usar la ecuación de transferencia. Aunque más confiable es usar el de transferencia de calor por que cualquier diferencia de temperatura en el bulbo húmedo se puede determinar: Kg. H2O h (T – Tw) °C (3600) (10) (4) Rs = = hm2 λw Coeficiente de transferencia de masa (Ky) puede ser obtenido de la siguiente correlación. Ky L (11) (4) = 0.664 Re 0.5 Sc 0.332 DAB µ d v ρ (12) (4) Sc = (13) (4) Re = ρ DAB µ
  • 39. 18 L = longitud del plato en la dirección del flujo (m) DAB = difusividad molecular de la mezcla de aire – agua (adimensional) d = diámetro característico (equivalente) (m) v = velocidad del flujo (m3 /s) Sc = numero de Schmidt (adimensional) Coeficiente de transferencia de calor se puede expresarse como: (14) (2) h = 0.0204 G0.8 (SI) La temperatura del aire es de 45 – 150 °C La velocidad de la masa es de 2450 – 29300 Kg/h m2 La velocidad es de 0.65 – 7.6 m/s h.d (15) (4) Nu = = 2 + α Re 0.5 Pr 0.33 K Cp µ (16) (4) Pr = K
  • 40. 19 G = Densidad de flujo másico de aire Kg/h m2 h = Coeficiente de transferencia de calor (W/m2 °K) K = conductividad térmica (W/m2 ºK)) α = constante () Pr = numero de Prandalt (adimensional) Cp = calor especifico (KJ/Kg ºK) v = velocidad del aire (m/s) Masa de aire seco + masa de humedad (17) (4) ρaire = Volumen húmedo (Vh) (18) (4) Vh = (2.83 x 10-3 + 4.56 x 10-3 (H)) T 1.4.1.2 Periodo de velocidad decreciente La velocidad de secado R decrece cuando el contenido de humedad sobrepasa el contenido de humedad crítico Xc. El movimiento del agua dentro del sólido puede ser explicado por diferentes mecanismos: difusión del liquido debido a los gradientes de concentración, difusión del vapor debido a las presiones parciales, movimiento del
  • 41. 20 liquido debido a fuerzas capilares, movimiento del liquido debido a la gravedad y difusión superficial. (3) El movimiento de la humedad a través del alimento depende de la estructura del poro y la interacción de la humedad con la matriz alimenticia (3) . 1.4.1.2.1 Teoría de difusión (Difusión del líquido) Esta teoría se deriva de los gradientes de concentración entre el interior del sólido en donde la concentración es alta y la superficie donde la concentración es baja. Estos gradientes se fijan durante el secado de la superficie. La velocidad de la difusividad del líquido decrece con rapidez al decrecer el contenido de humedad. La difusión toma lugar dentro la estructura fina del sólido y dentro de los capilares, poros y pequeños huecos llenos de vapor. Desafortunadamente la teoría de difusión no toma en consideración el encogimiento, el endurecimiento o las isotermas de
  • 42. 21 adsorción. El cálculo de velocidad de secado se encontrara con la ley de Fick. (3) ∂ X ∂2 X (19) (4) = Def ∂ t ∂ x 2 X = humedad libre (Kg agua/Kg sólido seco) t = tiempo (h) x = dimensión espacial (m) Deff = coeficiente de difusión (m2 /h) La ley de Fick puede ser aplicada para diferentes geometrías dentro de las cuales pueden ser esfera, rectángulo y cilíndrica. (3)
  • 43. 22 X - Xs ln vs. t Xo - Xs Aire de secado Flujo de Espesor agua Figura 7. Mecanismo de difusión superficial en el transporte de vapor de agua (3) El coeficiente de difusión Deff es determinar mediante la graficación experimental en términos de (20) (4) La pendiente del segmento lineal nos da el Deff. Dos posibles situaciones pueden ocurrir dentro del producto dentro del producto durante el secado. Son el movimiento del líquido y movimiento del
  • 44. 23 vapor a la superficie del producto. El movimiento del liquido esta en función del gradiente de concentración del producto. El agua liquida alcanza la superficie y es evaporada. El vapor de agua dentro del producto puede entenderse en términos de difusión de Knudsen. (3) Producto Vapor de agua d Figura 8. Mecanismo de difusión de Knudsen del transporte de vapor de agua (3) El movimiento del vapor es una función de la densidad del vapor y la difusividad del vapor dentro del producto. Mientras que el flujo de vapor se ve afectado por el tamaño de los poros, tortuosidad y la geometría (3) .
  • 45. 24 dx 2 d 2 R T = -Є ψ β ρ Dk (22) Dk = dt 3 π M (21) (4) Є = porosidad Ψ = tortosidad β = factor de geometría ρ = densidad del vapor Dk = difusividad de Knudsen R = constante universal de los gases T = temperatura absoluta (ºK) M = peso molecular del agua d = diámetro del poro (m) 1.4.1.2.2 Movimiento capilar de la humedad durante el secado La teoría capilar se relaciona con el movimiento del líquido a través de los poros. A medida que se evapora el agua, las fuerzas capilares se ponen en acción debido a la tensión interfacial entre el agua y el medio calefactor. Estas fuerzas
  • 46. 25 X1 ρs Xc Xc t = ln Rc X proporcionales el impulso para desplazar el agua a través de los poros hasta la superficie de secado. El flujo capilar ha sido aceptado como un mecanismo clave durante el secado. (3) Se llama tiempo de secado cuando el flujo capilar controla el periodo de velocidad decreciente (3) . (23) (4) ρs = densidad del sólido en kilogramos (Kg./m3 ) Xc = humedad critica (Kg. de agua/Kg. sólido seco) X1 = espesor (m) X = humedad promedio al tiempo (t) Xs = humedad en la superficie (Kg. de agua/Kg. sólido seco)
  • 47. 26 X1 ρs Xc Xc t = ln h (Tbs – Tbh) X Como se enseña en la ecuación 9 (24) (4) Por lo tanto el tiempo de secado entre límites fijos de humedad varía directamente con el espesor y depende de la velocidad, la temperatura y la humedad del gas. (3) Concluyendo las ecuaciones que definen el tiempo de secado para el periodo de velocidad constante y decreciente son: (25) (4) tc = z ρs λw (X1 – Xc) GCs (T1-Tw) ( 1-exp ( -haz/ GCs)) (26) (4) z ρs λw Xc ln(X1 / Xc) Td = GCs (T1-Tw) ( 1-exp ( -haz/ GCs))
  • 48. 27 Donde : a : factor de forma y superficie especifica, m2 / m3 z: espesor 1.5 Contenido de humedad crítica: Este es un parámetro importante, pues divide las dos zonas o etapas principales del mecanismo de secado. Los datos disponibles indican que el contenido crítico medio de la humedad para un tipo de sólido dado depende de la concentración final de la humedad. Si es muy rápido el secado durante el periodo de régimen constante y si además, el sólido es grueso, se desarrollan dentro de este gradiente excesivo, comenzando el periodo de caída del régimen con altos contenidos medios de humedad. Generalmente, el contenido crítico de humedad aumentara al elevarse la velocidad de secado (con regímenes altos de secado) y con mayor espesor de sólido. También este proceso depende del mecanismo de movimiento de la humedad (3) . 1.6 Comportamiento de los sólidos durante el secado El secado de un material se puede verificar haciendo uso de gráficos de perfiles de secado versus tiempo de secado hallado
  • 49. 28 experimentalmente. La velocidad del secado de una muestra se puede determinar haciendo uso de las siguientes metodologías: 1. Por medio de una curva de contenido de humedad y tiempo de secado. 2. Haciendo una curva de Velocidad (sacada por la diferencia del contenido de humedad de dos medidas dividido por el periodo de tiempo entre éstas) versus contenido de humedad (13) . 1.7 Desarrollo de deshidratación El Desarrollo de la deshidratación ha sido dividida en cuatro grupos o generaciones. 1.7.1 Primera Generación Los secadores de cabina y cama (túnel). Estos secadores involucran el aire caliente sobre una gran área de producto para ser removidos de la superficie. Generalmente los secadores de esta generación son útiles para materiales sólidos como granos, frutas picadas y vegetales, o productos triturados.
  • 50. 29 Estos secadores están constituidos por un alimentador, un calentador, un colector (separador de producto y aire), y el arreglo de estos componentes es característico de cada tipo de secador. 1.7.1.2 Secador de bandejas Son los más antiguos y aún los más utilizados. Este equipo consiste esencialmente en una cámara o cabina aislada térmicamente y conteniendo aire que se circula internamente por medio de un ventilador; esta dotado también de un calefactor (intercambiador de calor), por el que pasa el aire y después, a través de unas ventanas ajustables, se dirige el mismo horizontalmente entre las bandejas con el producto o verticalmente a través de las bandejas y la capa del producto. Un esquema de una de las formas de este tipo de secador se muestra en la figura 9. La recirculación requerida del aire y la entrada de aire fresco al secador se controla o regula por medio de compuertas y placas ajustables. Los calentadores de aire pueden trabajar directamente con gases de combustión de hornos, por vapor vivo (a presión), en
  • 51. 30 forma de radiadores o con resistencias eléctricas en los modelos mas pequeños. (13) Las ventajas del secado en bandejas son que cada lote del material se seca separadamente, se pueden tratar lotes de tamaños desde 10 hasta 250 kg, para el secado de materiales no necesita de aditamentos especiales. Estos equipos tienen dos variaciones, una de secado directo en el cual el aire caliente es forzado a circular por las bandejas. La otra de secado indirecto, donde se utiliza el aire caliente proveniente de una fuente de calor radiante dentro de la cámara de secado y una fuente de vacío o un gas circulante para que elimine la humedad del secador. Véase la figura 8. (13) Figura 9. Esquema general de un secador de bandejas (13)
  • 52. 31 Las bandejas pueden ser de fondo liso o enrejado. En estas últimas, el material se debe colocar sobre un papel, tela o fibra sintética especial donde la circulación del aire caliente fluye sobre el material desde arriba hasta abajo. El material de soporte debe facilitar la limpieza y prevenir la contaminación del producto. En el secador la temperatura y el flujo deben ser muy uniformes. En general la velocidad de flujo recomendada para 100 kg del material es de 200 pies/min. Los granulados obtenidos en este secador son más densos, duros e irregulares que los obtenidos en por lecho fluidizado, ya que éstos tienden a ser más porosos, menos densos y más esféricos. (13) La desventaja de estos equipos es que algunos colorantes y ciertos fármacos solubles en agua tienden a migrar desde el centro del gránulo hasta la superficie durante el secado. (13) La fuente energética de estos secadores puede ser vapor, electricidad, o hidrocarburos como carbón,
  • 53. 32 petróleo, aceite y gas. Estos dos últimos calientan mucho más y son de bajo costo de funcionamiento, pero tienen el inconveniente de contaminar el producto y producir explosiones. Los secadores que funcionan con vapor son más baratos que los eléctricos y se aconsejan para equipos grandes. 1.7.2 Segunda Generación Están dirigidos a la deshidratación de productos líquidos y purés. Entre estos se encuentran los secadores de spray y los secadores de tambor los cuales sirven para obtener polvo y flakes. El secador de spray involucra la formación de la partícula y secado (contacto con el aire) de manera similar que el secador de lecho fluidizado, secado flash, granulación en spray, aglomeración de spray, el secado por atomización es un proceso en el cual la partícula esta en suspensión. La mayor diferencia entre secado en spray, lecho fluidizado y secado flash son las características de alimentación; en cuanto al tiempo de residencia el secado por atomización tarda entre 5 y 100 segundos mientras que el de lecho fluidizado lo hace entre 1 y 300 minutos. El tamaño de
  • 54. 33 partícula que manipula el de atomización esta entre 10 y 500 µm y el lecho fluidizado oscila entre 10 y 3000 µm. 1.7.2.1 Secador de tambor Utiliza transferencia de calor por conducción a través de la superficie del sólido. Generalmente se usa para producir polvo y flakes. Los productos obtenidos por lo general se usan en panificación, jugos, cereales, granola y lácteos. Estos secadores consisten en cilindros metálicos que rotan en sus ejes horizontales y son calentados internamente con vapor, agua caliente, etc. Pueden clasificarse de: tambor simple y tambor doble. Las ventajas son: mayor velocidad de secado y uso económico de energía. 1.7.3 Tercera Generación 1.7.3.1 Liofilización La liofilización fue desarrollada en los años cuarenta. Disminuye los daños estructurales y minimiza las perdidas de aroma y flavor. La liofilización consiste en dos pasos: 1. El producto es congelado
  • 55. 34 2. El producto es secado por sublimación del hielo a baja presión. Existen tres variables que se deben considerar: a. Vacío dentro del recipiente b. Energía radiante aplicada al alimento y c. Temperatura del condensador 1.7.3.2 Deshidratación osmótica Concentración del producto mediante la inmersión en una solución hipertónica. 1.7.4 Cuarta Generación En la actualidad aun son estudiados e involucran mayor vacío, fluidización, uso de microondas, RF (ahorran energía por eso se estudian mucho) y el concepto de tecnología de barreras.
  • 56. CAPÍTULO 2 2. CONSTRUCCIÓN DEL SECADOR DE BANDEJA Los secaderos de bandeja son secaderos de pequeña escala usados en laboratorios y plantas piloto para experimentar sobre secado de diversos materiales (3) . Las condiciones experimentales pueden ser variadas para permitir la demostración de los aspectos teóricos y prácticos de la operación de secado a escala industrial. El aire es introducido a la cámara con un ventilador de flujo axial, situado en uno de los extremos del túnel. La velocidad del aire a través del secadero es ajustada regulando la velocidad del ventilador. Un banco de resistencias eléctricas se encuentra situado corriente arriba del compartimiento de secado permitiendo elevar la temperatura del aire variando la potencia de las mismas. El compartimiento de secado tiene aproximadamente 0.105 m3 de capacidad y es equipado con una puerta de acceso de vidrio. Una bandeja, con una capacidad de almacenamiento de sólido de 4 kg aproximadamente, se encuentra ubicada dentro de la cámara. (9)
  • 57. 36 El túnel, corriente arriba y corriente abajo del compartimiento de secado, ha sido diseñado para producir un flujo de aire uniforme sobre las bandejas. En la parte superior del secador se ha acoplado una balanza gramera ha la que se le ha alargado el plato en donde se ubica la muestra, de tal forma que este se encuentre dentro de la campana de secado. Se cuenta con un interruptor general que es quien activa el paso de corriente al equipo, un panel de control en donde se encuentran ubicados los interruptores para encendido del blower y un selector para variar la velocidad; adicionalmente un selector para variar la potencia de las resistencias las que están directamente relacionadas con la variación de la temperatura. (9) Foto 1. Botoneras Foto 2. Perillas
  • 58. 37 2.1 Componentes del secador de bandeja Los componentes utilizados según su uso: Parte eléctrica: o Aislante de porcelana o Resistencias de 1000 wats en espiral de niquelina sin forro 220 voltios Accesorios eléctricos: o Cable concéntrico 3*6 o Cable numero 10 o Cable numero 12 o Enchufe bifásico 35 – 50 Amperios (tipo pata de gallina) o Acrílico Estructura Metálica y accesorios: o Plancha galvanizada o Plancha de acero inoxidable brillante o Lana de vidrio o Malla de acero inoxidable o Eje de acero inoxidable o Vidrio para puertas del horno o Tubin de acero inoxidable o Soldadura de acero inoxidable o Soldadura
  • 59. 38 Suministro de aire: o Blower de ¼ de hp Instrumentos de medición o Balanza o Termo higrómetro o Termómetro bimetalico de bolsillo Instrumentos de control o Breque doble 40 AMP o Botonera ON/OFF o Contactor de 50 AMP 220 Voltios o Termostato para horno de rango 50 – 300 ºC o Swich infinito Auxiliares para construcción o Tornillos de acero inoxidable de 1 y 1/3 de pulgada de largo. o Anillos planos y de presión de acero inoxidable o Pernos de acero inoxidable o Visagras para puerta de acero inoxidable o Seguro de puerta que no conduce calor o Caucho para cocina 2 metros
  • 60. 39 2.1.1 Estructura externa del secador y sus dimensiones 1.80 m Foto 3. Secador de bandeja En un ducto rectangular el diámetro equivalente del equipo corresponde a la siguiente ecuación: (27)(4) )( 2 ba ab Dr + = Donde a es base y b es la altura de la campana mDr 518.0 )35.01( )35.0*1(2 = + = 2.1.2 Blower Los ventiladores se utilizan para bajas presiones, en general con ciertas características de presión, se los utiliza para 0.45 m 0.45 m
  • 61. 40 trabajos de ventilación, suministro de corriente de aire a hornos y calderas, desplazamie0nto de grandes volúmenes de aire o gas por ductos, suministros de aire para desecación, transporte de materiales suspendidos en corrientes de gas, eliminación de humos, etc. (4) Foto 4. Ventilador (Blower) Funcionamiento del ventilador El funcionamiento de un ventilador centrifugo varia con los cambios de condiciones, como la temperatura, la velocidad y de la densidad del gas que se maneje. (4) Cuando varía la temperatura del aire o el gas, los caballos de potencia y la presión varían en proporción inversa a la temperatura absoluta (cuando la velocidad y la capacidad se mantienen constantes).
  • 62. 41 Cuando varía la densidad del aire o el gas, los caballos de potencia y la presión varían en proporción directa a la densidad (se mantienen constantes la velocidad y la capacidad) (4) . Las velocidades que se alcanzan luego de hacer variaciones en el voltaje del blower son: smCFMVT smCFMVS smCFMVR /19.4403 /24.5502 /34.7701 ==→ ==→ ==→ 2.1.3 Instrumentos de medición Balanza La balanza romana (brazos iguales y desiguales) pesan masas, es decir son independientes de la aceleración de la gravedad g. La romana (compensación exclusivamente por peso móvil) facilita el montaje con impresión de talones de peso. (9)
  • 63. 42 Foto 5. Balanza Termo higrómetro Los higrómetros eléctricos miden la resistencia eléctrica de una capa de materiales que absorben la humedad, expuestos al gas. Se han empleado gran variedad de elementos sensores. Su operación consiste en medir temperatura y humedad relativa. Foto 6. Termohigrómetro
  • 64. 43 Manual de uso del termohigrómetro Para el uso del termohigrómetro es necesario tener claro su función y su modo de empleo. Existen dos formas de tomar la temperatura: con un censor metálico y con el láser, el uso de estos dependerá del grado de temperatura a la que se este trabajando ya que el primero solo puede tomar hasta una temperatura de 75ºC y el otro llega hasta 250ºC. La misma se toma encendiendo el termohigrómetro e introduciendo el brazo de plástico en el equipo y para usar el láser se debe presionar el botón de color rojo y apuntar hacia donde deseamos, los valores empezaran a moverse ya que en el interior del secador hay aire en movimiento, así que hay que presionar la tecla hold para que dé una lectura promedio. El porcentaje de humedad relativa se obtiene al mismo tiempo que se censa la temperatura. Termómetro bimetalico de bolsillo El bimetal termostático se define como un material compuesto que constan de tiras o fletes de dos o mas metales unidos entre si. Debido a los diferentes índices de expansión de sus componentes, esta composición tiende a
  • 65. 44 cambiar de curvatura cuando se somete a una variación de temperatura. (9) Foto 7. Termómetro Bimetalico Digital Cuando se mantiene fijo un extremo de una tira recta, el otro sufre una deflexión proporcional al cambio de temperatura y al cuadrado de la longitud, y el sentido inverso al espesor, a lo largo de la porción lineal de la curva característica de deflexión. Si una tira bimetálica se enrolla en forma helicoidal o como espiral y se fija uno de sus extremos, el otro extremo girara al aplicársele calor. Para un termómetro con división de escala uniformes, el elemento bimetálico se debe diseñar de tal manera que tenga una deflexión lineal a lo largo del intervalo de temperatura deseada. (9) 2.1.4 Instrumentos de control Breque doble 40 AMP Los equipos eléctricos están protegidos de sobrecargas
  • 66. 45 eléctricas por medio de fusibles o breques (interruptores de circuito). Los breques hacen la misma función que los fusibles, con la ventaja que pueden ser restaurados manualmente en lugar de tener que ser reemplazados. (9) Foto 8. Breque Botonera ON/OFF Las botoneras desempeñan un papel clave en la comunicación hombre-máquina. Una botonera de este tipo abre el paso de una señal que activa el sistema y según el sistema universal es de color verde; la de color rojo es quien detiene el paso de la corriente y hace que el sistema se apague. Para poder cumplir su tarea, deben tener un alto grado de funcionalidad. (9)
  • 67. 46 Foto 9. Botoneras Contactor de 50 AMP 220 Voltios Son conexotes de seguridad, maniobrados y mantenidos en posición de servicio por fuerza electromagnética. Vuelven a su posición de reposo tan pronto cesa de actuar sobre ellos la acción electromagnética. Poseen una gran potencia de conexión con pequeñas potencias de excitación. (9) Foto 10. Contactor
  • 68. 47 Termostato para horno de rango 50 – 300 ºC Interruptor que controla la temperatura cambiante. Sus funciones normales son finalizar un ciclo, mantener una temperatura constante, o apagar y encender el electrodoméstico. (9) Foto 11. Termostato para horno Swich infinito Un switch (interruptor) es un dispositivo de interconexión de sistemas de ordenadores. Un switch interconecta dos o más segmentos de estos sistemas, funcionando de manera similar a los puentes, pasando datos de una red a otra, de acuerdo con la dirección de destino de los diagramas del sistema. (9)
  • 69. 48 Foto 12. Swich infinito 2.2 Esquema del secador de bandeja El esquema del secador que sigue se indica por medio de números y que se mencionan: Figura 10. Esquema del secador construido (12) 1. Caja de instalaciones eléctricas 2. Ventilador (blower). 3. Banco de resistencias. 4. Balanza analógica ubicada sobre la bandeja. 54 62 31
  • 70. 49 5. y 6. Cámara para estrangulamiento del aire. 2.3 Método de operación del secador de bandeja Dependiendo de la muestra que se vaya a secar y en que tiempo se lo quiera hacer se debe de variar los parámetros que son fundamentales en un proceso de secado como son la temperatura y la velocidad del aire. (13) Para operar el secador de bandeja correctamente, se ha realizado el siguiente esquema que facilita su uso del secador. 1. Obtener muestras de igual tamaño y forma del producto que se desea secar. 2. Abrir la puerta del secador. 3. Ubicar las muestras del producto a secar en la bandeja y una de ellas en la canastilla para realizar el estudio. 4. Cerrar la puerta del secador. 5. Conectar el enchufe en la toma corriente. 6. Regular el flujo de aire de la operación con la perilla 1 7. Colocar la temperatura necesaria para la operación con la perilla 2 (anexo 25) 8. Encender el equipo presionando el botón de color verde
  • 71. 50 9. Ubique el termohigrómetro frente al vidrio, dispare el censor láser y constate la temperatura seleccionada con la perilla. 10. Establecer el intervalo de tiempo deseado para registrar la perdida de peso 11. Anotar la variación de peso hasta que esta se vuelva constante. 12. Para apagar el equipo presione el botón de color rojo y deje enfriar hasta que lea 45°C en el termómetro de bolsillo. 13. Regrese todas las perillas a cero 14. Retire la muestra seca 15. Retire cualquier resto del producto que se encuentre en el secador 16. Cierre la puerta 17. Desconecte el equipo
  • 72. CAPÍTULO 3 3. PRACTICAS DE LABORATORIO EN EL SECADOR DE BANDEJAS 3.1 Familiarización con un secador de bandejas Introducción El uso de diferentes equipos en las industrias necesitan del conocimiento de ciertos conceptos que son básicos para el correcto manejo de ellos. En varios procesos industriales es necesario conocer y manejar la tabla psicrométrica que ayuda a resolver muchos de los problemas que se presentan diariamente en una fabrica. 3.1.1 Uso de la carta psicrométrica La tabla psicrométrica involucra la ganancia o pérdida de humedad en aire. Para conocer su forma de uso es necesario conocer los siguientes conceptos:
  • 73. 52 Temperatura del bulbo seco (Tbs): es la temperatura de la mezcla por la inmersión del termómetro en la mezcla sin ninguna modificación del termómetro. (4) Humedad relativa: % saturación relativa: Se define como la relación entre la presión parcial de vapor de agua en el sistema y la presión parcial de vapor de agua en condición saturado a la misma temperatura del sistema. (4) Porcentaje de saturación o porcentaje de humedad absoluta. Se define como la relación entre las moles de vapor por mol de gas libre de vapor y los moles de vapor que estarían presentes por mol de gas libre de vapor si la mezcla estuviera completamente saturada a la temperatura y presión total vigentes. (4) Calor húmedo: es la cantidad de calor en J o KJ requerido para elevar la temperatura de un kilogramo de aire seco más el vapor de agua presente, en un grado kelvin o un grado centígrado. (4) Entalpía de la mezcla aire-vapor: es definida como las sumas de entalpías del gas y el vapor. (4) Punto de rocío- Es la temperatura a la cual la mezcla se satura cuando se enfría a presión constante. Si la mezcla es enfriada a una temperatura menor al punto de rocío el agua
  • 74. 53 se condensará. El punto de rocío puede determinarse de la tabla psicrométrica. (4) Temperatura de bulbo húmedo (Tbh): se conocen dos temperaturas de bulbo húmedo: la temperatura de bulbo húmedo psicrométrica y la termodinámica. Para aire húmedo las dos temperaturas son aproximadamente iguales (4) . Observar la figura 1. Objetivos • Familiarizarse con el equipo de secado • Conocer los instrumentos que forman parte del secador • Aprender a leer la tabla psicrométrica • Determinar humedad absoluta, flujo volumétrico, temperatura de bulbo húmedo, temperatura de bulbo seco Requerimientos Termohigrómetro Secador de bandeja Procedimiento 1. Encienda el equipo con el botón verde, ajuste la perilla 1 del blower hasta T en donde obtendrá una velocidad de
  • 75. 54 4.19 m/s; y además regule la temperatura hasta que alcance 65 o 75ºC según sea el caso (anexo 25). 2. Abra la puerta del equipo y ubique el termohigrómetro dentro del secador, lea la temperatura de bulbo seco y la humedad relativa del aire. Esto se debe repetir cada vez que varíe la temperatura. 3. Con los datos obtenidos vaya al anexo 2 y obtenga los siguientes datos: Humedad absoluta (Ha), entalpía (H1) y temperatura de bulbo húmedo (Tbh). Resultados y discusión Tbs Hr Ha H1 Tbh 65ºC 75ºC
  • 76. 55 Ejemplo Tabla 1. Valores obtenidos de la carta psicrometrica Tbs Tbh Hr Ha H1 65 ºC 45 ºC 32 % 4.050(KJ/Kg aire seco) 0.042(Kg agua/Kg aire seco) 75 ºC 53 ºC 30 % 4.500(KJ/Kg aire seco) 0.085(Kg agua/Kg aire seco) • ¿Al aumentar la temperatura de proceso que sucede con la humedad relativa, aumenta o no?, Explique. Nomenclatura Tbs: temperatura de bulbo seco (ºC) Tbh: temperatura de bulbo húmedo (ºC) Ha: entalpía del aire (KJ/Kg aire seco) Hr: humedad relativa del aire (%) H1: humedad absoluta inicial (Kg agua/Kg aire seco) Vs: volumen especifico (m3 Kg aire seco)
  • 77. 56 3.2 Balance macroscópico de materia en un proceso de secado Introducción Un balance de masa está basado en el axioma que dice: “la materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma”. En este sentido, un balance de masa se define como la verificación de la igualdad cuantitativa de masas que debe existir entre los insumos de entrada y los productos y residuos de salida. El balance de masa es aplicable tanto a un proceso como a cada una de las operaciones unitarias (2) . La figura 11 ilustra el concepto de entradas y salidas de una operación unitaria; y la figura 12 ilustra un detalle de las posibles masas que deben cuantificarse para hacer un balance de masa. (2) Figura 11. Principios de entrada y salida de una Operación unitaria (15)
  • 78. 57 Objetivos • Determinar la cantidad de agua que pierde el producto durante un proceso de secado a diferentes tiempos y temperaturas. • Realizar un balance de materia en un secador con flujo de aire constante. (Dicho balance se hará determinando la cantidad de agua que gana el aire comparada con la que pierde el producto) Requerimientos Plátano de seda Medidor de Bernier Cuchillo Termohigrómetro Secador de bandeja Figura 12. Componentes típicos de un balance de masa (15)
  • 79. 58 Determine la humedad final durante el secado de trozos de banano • Diámetro = 2.51 cm • Espesor = 0.5 cm • Peso inicial del producto = 3.2 g • Humedad en base húmeda = 0.729 g de agua/g de producto • Contenido de agua = (3.2) (0.729) = 2.3328 g de agua • Contenido de materia seca = 3.2 – 2.3328 = 0.8672 g materia seca • Humedad en base seca = 2.3328 / 0.8672 = 2.69 Kg agua / Kg. materia seca Procedimiento Antes de comenzar la experiencia asegúrese de que las instalaciones eléctricas del equipo estén bien conectadas (cap. 2) 1. Determine la humedad inicial (X1) de la muestra a secar 2. Introduzca el material a secar dentro del equipo, en la canasta y determine su peso inicial. 3. Cierre la puerta de entrada del secador 4. Encienda el equipo con el botón verde, ajuste la perilla 1 del blower hasta T en donde obtendrá una velocidad de 4.19 m/s y además regule la temperatura con la perilla 2 hasta que alcance 65 o 75ºC según sea el caso (anexo 25).
  • 80. 59 5. Determine la velocidad del aire que entra al proceso con la ayuda del anemómetro. 6. Calcule el caudal másico con la ecuación 28 y 29. (28), (29) (4) ρ..AVGm = 4 2 2 D A π = ρ: Obtener de la anexo 18 Gm: Caudal másico 7. Determine la humedad inicial (H1) a la salida del secador. 8. Determine la humedad del aire a la salida del secador (H2) con la ayuda del termohigrómetro. 9. De la ecuación 30 calcule la humedad final del aire (X2) (30)(4) Masa producto (X1 – X2) = Masa aire (H1 – H2) (31) (4) OH OH Heq 2 2 %100 % − = . 10.Comprobar los resultados obtenidos con lo experimental. 11.Este procedimiento se puede repetir a diferente temperatura y velocidad del aire.
  • 81. 60 12.Obtener las humedades en base seca del producto a 65ºC y 75ºC del anexo 8 y 15 respectivamente Para hallar el aire seco, según su flujo: X = Cantidad de aire – Cantidad de humedad en el aire X = Kg aire seco – (Kg de agua/Kg de aire seco) X = Kg aire seco Cálculos Ejemplo: Datos: ºT del aire (65 ºC) ρ aire: 1.0105 Kg/m3 Vaire: 4.19 m/s Humedad producto (Kg H2O/Kg s.s) ºT Inicial -------------- final Humedad del aire (Kg H2O/Kg a.s) ºT Inicial ---------- final 65ºC 65ºC 75ºC 75ºC
  • 82. 61 H1: 0.042 Kg aire/Kg aire seco Dblower: 0.075 m A: 4.5 x 10-3 m2 OH OH Heq 2 2 %100 % − = 25.0100 25.0 − =Heq Heq = 2.5 x 10-3 Kg H2O / Kg a. s. XeqXtX −= ssKgOHKgsKgsOKgHxsKgsOKgHXentrada ../.6875.2./105.2./69.2 22 3 2 =−= − ssKgOHKgsKgsOKgHxsKgsOKgHXsalida ../.0353.0./105.2./037.0 22 3 2 =−= − ρ..1 AVG m = )/3600)(/0105.1)(105.4)(/19.4( 323 1 hsmKgmxsmGm − = )/4.68(32.0/4.681 hKghKgGm −= hsaKgGm /..5.461 = Masa producto (X1 –X2) = Masa aire (H2 – H1) )../.042.02(5.46)../.0353.0../.687.2(..87.0 222 saKgOHKgHssKgOHKgssKgOHKgssKg −=− OKgHH OHKg 2042.02 5.46 2.3.2 −=
  • 83. 62 2042.0049.0 H=+ hOKgHH /091.02 2= Datos: ºT del aire (75 ºC) ρ aire: 1.0105 Kg/m3 Vaire: 4.19 m/s H1: 0.042 Kg aire/Kg aire seco Dblower: 0.075 m Dplatano: 3 cm Espesor del Plátano: 0.5 cm A: 4.5 x 10-3 m2 OH OH Heq 2 2 %100 % − = 22.0100 22.0 − =Heq Heq = 2.2 x 10-3 Kg H2O / Kg a. s. XeqXtX −= ssKgOHKgsKgsOKgHxsKgsOKgHXentrada ../.6878.2./102.2./69.2 22 3 2 =−= −
  • 84. 63 ../.0240.0./102.2./0263.0 22 3 2 sKgsOHKgsKgsOKgHxsKgsOKgHXsalida =−= − ρ..1 AVG m = )/3600)(/982.0)(105.4)(/19.4( 323 1 hsmKgmxsmGm − = )/4.68(3.0/4.681 hKghKgGm −= hsKgaGm /.62.461 = Masa producto (X1 –X2) = Masa aire (H2 – H1) )../.085.02(62.46)../.0240.0../.6878.2(..87.0 222 saKgOHKgHssKgOHKgssKgOHKgssKg −=− OKgHH OHKg 2 2 085.02 62.46 .317.2 −= 2085.00497.0 H=+ hOKgHH /1347.02 2= Nota: Experimento realizado al mismo tiempo y con condiciones de operación similares.
  • 85. 64 Resultados y discusión Tabla 2. Valores de masa inicial y final del producto y del aire a diferentes temperaturas • Cómo le afecta la variación de temperatura a la capacidad que tiene el aire para secar el producto. Nomenclatura - X: humedad libre (Kg agua/Kg sólido seco) - Xt: humedad (Kg agua/Kg sólido seco) - Xeq: humedad de equilibrio (Kg agua/Kg aire seco) - G: densidad de flujo másico del aire (Kg/m2 h) - V: velocidad (m/s) - ρ : densidad (m3 /Kg) - A : area (m2 ) Masa de producto (cantidad de agua) Humedad producto base seca ºT Inicial -------------- final Masa de aire (cantidad de agua) Humedad del aire ºT Inicial ---------- final 65ºC 2.6875 x10-3 Kg.H2O/Kg s.s 0.0353 Kg.H2O/Kgs.s 65ºC 0.042 Kg H2O/h 0.091 Kg H2O/h 75ºC 2.6875 x10-3 Kg.H2O/Kg s.s 0.0240 Kg.H2O/Kgs.s 75ºC 0.085 Kg H2O/h 0.1347 Kg H2O/h
  • 86. 65 - X1: concentración inicial (%) - X2: concentración final (%) - H2: humedad absoluta final (Kg agua/h) - H1: humedad absoluta inicial (Kg agua/Kg aire seco) - Hr: humedad relativa de aire (%) - Masa de aire: Kg aire seco/h - Masa de producto : Kg sólido seco/h
  • 87. 66 3.2.1 Influencia del tamaño de la partícula Introducción Generalmente si se produce la conducción del calor a través del sólido las ecuaciones indican valores menores de velocidad de secado al incrementarse el espesor del sólido. No obstante, la conducción del calor a través de los bordes de las superficies de los recipientes y las bandejas puede ser una importante fuente de calor que alcance a originar aumento en la velocidad de secado, si las superficies de los bordes que no son de secado están aisladas o si se produce el secado desde la superficie del sólido la velocidad de secado es independiente del espesor. (13) Objetivo • Determinar la influencia del espesor en el proceso de secado midiendo su humedad final a un mismo tiempo. Requerimientos Plátano de seda Medidor de Bernier Cuchillo Termohigrómetro
  • 88. 67 Secador de bandeja Procedimiento 1. Mida la humedad inicial de la fruta que va a utilizar. 2. Haga cortes de una misma fruta con diferente espesor y ubíquelas en el secador al mismo tiempo. 3. Espere 90 minutos mientras ocurre el proceso de secado. 4. Luego de este tiempo mida la humedad final. Resultados y discusión Muestras (dimensiones) H1 (porcentaje) H2(porcentaje) 0.25 cm. 0.5 cm. 1 cm. Ejemplo: Condiciones de operación: ºT Velocidad de aire Hr t 65ºC 4.19 m/s 32% 90 min
  • 89. 68 Tabla 3. Valores de humedad final a diferentes espesores Muestras (dimensiones) H1 (porcentaje) H2(porcentaje) 0.25 cm. 85% 14 % 0.5 cm. 85% 25 % 1 cm. 85% 49 % Disminucion del espesor 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 1,5 Tiempo (hora) Espesor(cm) muestra 1 muestra 2 muestra 3 • ¿Como afecta el espesor en el tiempo de secado, se obtiene mayor o menor humedad cuando el espesor se incrementa, explique? Nomenclatura - Tbs: temperatura de bulbo seco (°C) - D : diámetro (m) - V: velocidad (m/s) Figura 13. Disminución del espesor vs tiempo
  • 90. 69 - ρ : densidad (m3 /Kg) - Re : Numero de Reynolds (adimensional) - Qm : flujo másico de aire (Kg/s ) - A : area (m2 ) - X1 : concentración inicial (%) - X2 : concentración final (%) - H2: humedad absoluta final (Kg agua/h) - H1: humedad absoluta inicial (Kg agua/Kg aire seco) - Hr: humedad relativa de aire (%)
  • 91. 70 3.3 Balance macroscópico de energía en un proceso de secado Introducción En todo proceso en donde existe transferencia de calor existe un medio calefactor que es el encargado de calentar el fluido que estará en contacto con el producto y lo secara. En un secador de bandeja el generador de calor generalmente son resistencias eléctricas y el medio que transfiere el calor es el aire. Un balance de energía en este secado seria comparar el calor que entrega el equipo comparado con el que recibe el producto que se esta secando más lo que se pierde al medio ambiente y que se representa con la siguiente ecuación. (32) (4) 221111 **** HsFsHaFaQHsFsHaFaQ ++=++ La figura 14 muestra un diagrama en el que se representan las entradas y salidas de energía que ocurren en un proceso o en una operación unitaria. (2)
  • 92. 71 Objetivo • Obtener la cantidad de calor que se añade al producto durante el proceso de secado. Requerimientos Plátano de seda Medidor de Bernier Cuchillo Termohigrómetro Secador de bandeja Figura 14. Entradas y salidas de energía en un proceso o en una operación unitaria (2)
  • 93. 72 Procedimiento 1. Calcular la entalpía del aire a la entrada y salida del secador con la siguiente ecuación, o con la carta psicrometrica. (33) (4) oλ*)(1 XToTaCsHa +−= (34) (4) WCs *884.1005.1 += 2. Obtener la entalpía del producto que se seca a la entrada y a la salida del secador definiendo para cada caso sus valores con la siguiente ecuación: El valor Cpa lo obtenemos de la anexo 19 (35) (4) 100 2.0*)100( 100 Pp Cp − += (36) (4) )(*)( ToTsCpaWToTsCpsHs −+−= 3. Reemplazando en la ecuación 32 obtenemos el calor que requiere el producto para que alcance la humedad deseada.
  • 94. 73 Cálculos Ejemplo: Datos: ºT del aire 65ºC P: 72.9 g/100g peso Ver anexo 1 Entrada del aire oKgaireKJCHa sec/050.4)º65( = Valores de Ha 65 ºC 75 ºC Entrada de aire Salida de aire Valores de Hs 65 ºC 75 ºC Entrada del producto Salida del producto Calor entregado por fuente externa 65 ºC 75 ºC Q
  • 95. 74 Salida del aire oKgaireKJCHa sec/5.3)º52( = Entrada del producto 100 2.0*)100( 100 Pp Cp − += 100 2.0*)9.72100( 100 9.72 − +=Cp CKgKcalCp º/7832.0= KcalKJCsKgsKcalX 1/7.4186*º./7832.0= KJX 02.3279= )(*)( ToTsCpaWToTsCpsHs −+−= )021)(18.4(*)6875.2()021(02.3279 −+−=Hs sKgsKJHs ./69095= Salida del producto )(*)( ToTsCpaWToTsCpsHs −+−= )047)(18.4(*)0353.0()047(02.3279 −+−=Hs ssKgKJHs ../875.154120=
  • 96. 75 221111 **** HsFsHaFaQHsFsHaFaQ ++=++ 87.154120*87.05.3*88.460095.69*87.0050.4*88.46 ++=++Q hKJQ /72.73946= Datos: ºT del aire (75ºC) P: 72.9 g/100g peso Ver anexo 1 Entrada del aire oKgaireKJCHa sec/5.4)º75( = Salida del aire oKgaireKJCHa sec/1.4)º62( = Entrada del producto 100 2.0*)100( 100 Pp Cp − += 100 2.0*)9.72100( 100 9.72 − +=Cp CKgKcalCp º/7832.0=
  • 97. 76 KcalKJCsKgsKcalX 1/7.4186*º./7832.0= KJX 02.3279= )(*)( ToTsCpaWToTsCpsHs −+−= )021)(18.4(*)6878.2()021(02.3279 −+−=Hs sKgsKJHs ./75.69095= Salida del producto )(*)( ToTsCpaWToTsCpsHs −+−= )051)(18.4(*)0240.0()051(02.3279 −+−=Hs ssKgKJHs ../136.167235= 221111 **** HsFsHaFaQHsFsHaFaQ ++=++ 14.167235*87.01.4*62.46075.69095*87.05.4*62.461 ++=++Q hKJQ /61.853621 =
  • 98. 77 Resultados y discusión Tabla 4. Valores de entalpía del aire Tabla 5. Valores de entalpía del producto Tabla 6. Calor que necesita el producto para secar • Verificar los resultados obtenidos por el método practico: (determine la humedad final experimentalmente) • Si existiera recirculación en el sistema que ventajas y que desventajas se presentaría en el secador. Valores de Ha 65 ºC 75 ºC Entrada de aire 4.050 KJ/Kg aire seco 4.5 KJ/Kg aire seco Salida de aire 3.5 KJ/Kg aire seco 4.1 KJ/Kg aire seco Valores de Hs 65 ºC 75 ºC Entrada del producto 69095 KJ/Kg s.s 69095.75 KJ/Kg s.s Salida del producto 154120.875 KJ/Kg s.s 167235.136 KJ/Kg s.s Calor entregado por fuente externa 65 ºC 75 ºC Q 73946.72 85362.61
  • 99. 78 Nomenclatura Q1: Calor añadido al secador mediante cualquier fuente externa QL: Calor que se pierde al medio ambiente Ha: Entalpía del aire (KJ/Kg de aire seco) Cs: Calor especifico del aire húmedo To: Temperatura de referencia (0o C) λo: Calor latente del agua a la temperatura de referencia (2501.4 KJ/Kg del agua usando aire y vapor de agua saturado a 0o C como punto de referencia) Hs: Entalpía del sólido Cps: Calor especifico del sólido (Kcal/Kg sólido seco ºC) Cpa: Calor especifico del agua (KJ/Kg K) Fs: Flujo de sólido (Kg de sólido seco/h) Fa: Flujo de aire (Kg de aire seco/h) W: Humedad (Kg de agua/Kg de aire seco) Ts: Temperatura de entrada del producto Ta: Temperatura del aire a la entrada (medida con el termómetro de bulbo seco) H1: humedad absoluta inicial (Kg agua/Kg aire seco) H2: humedad absoluta final (Kg agua/h) P: peso de la muestra
  • 100. 79 3.4 Tipos de flujo de aire y número de Reynolds Introducción Recibe su nombre en honor de Osborne Reynolds (1842-1912), quien lo describió en 1883. El número de Reynolds es una cantidad adimensional que determina el tipo de flujo (laminar o turbulento) que presenta un fluido. En dinámica de fluidos, número adimensional que puede utilizarse para definir las características del flujo dentro de un conducto (6) . El Número de Reynolds se definió como la relación existente entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas (o de rozamiento) (6) . (37) (4) asvisFuerzas InercialesFuerzas N cos Re = µ ρ VD .. = Este número es adimensional y puede utilizarse para definir las características del flujo dentro de una tubería. El número de Reynolds proporciona una indicación de la pérdida de energía causada por efectos viscosos. Observando la ecuación anterior, cuando las fuerzas viscosas tienen un efecto dominante en la pérdida de energía, el número de Reynolds es pequeño y el flujo se encuentra en el régimen laminar. Si el Número de Reynolds es 2100
  • 101. 80 o menor el flujo será laminar. Un número de Reynold mayor de 10 000 indican que las fuerzas viscosas influyen poco en la pérdida de energía y el flujo es turbulento. (6) Objetivo • Determinar el número de Reynolds en el secador de bandeja a diferentes flujos de aire. Requerimientos Secador de bandeja del laboratorio de operaciones unitarias Termohigrómetro Plátano de seda Medidor de Bernier Cuchillo Procedimiento La práctica consta de dos partes, ya que analizaremos condiciones de aire a temperatura ambiente y a otras temperaturas mayores. Primera parte: 1. Encienda el blower del secador 2. Mida la velocidad del aire que sale del blower con la ayuda de
  • 102. 81 las ecuaciones 29 y 38. (38) (4) VAQ = 3. Lea la temperatura en el termómetro de bulbo seco 4. Ubique en la tabla de aire la densidad y Viscosidad, anexo 18. 5. Calcule el numero de Reynolds utilizando la ecuación 13 Segunda parte En la segunda parte prenderemos las resistencias para que se caliente el aire. 1. Con la misma velocidad anterior. 2. Regule la temperatura a 60ºC (anexo 25) 3. Del anexo 18 obtener la densidad y viscosidad a 60ºC 4. Calcular el numero de Reynolds (Re) con la ecuación 13 5. Calcular el flujo másico con la ecuación 28. Cálculos ºT D (m) V(m/s) µ(Pa.s) ρ(Kg./m3 ) Re 25 ºC 60ºC
  • 103. 82 Ejemplo Primera parte µ ρDV C =º30Re sPax mKgsmm C .)610682.18( )37127.1)(/19.4)(0762.0( Re º30 − = 6.19260Re º30 =C Segunda parte µ ρDV C =º60Re sPax mKgsmm C .)610907.19( )37025.1)(/19.4)(0762.0( Re º60 − = 4.116439Re º60 =C Resultados y discusión Tabla 7. Valores del número de Reynolds ºT D (m) V(m/s) µ(Pa.s) ρ(Kg./m3 ) Re 25 ºC 0.0762 4.19 18.682 x 10-6 1.127 19260.6 60ºC 0.0762 4.19 19.907 1.025 16439.4
  • 104. 83 • ¿Qué sucede con el número de Reynolds si el D de la boca del blower disminuye o aumenta? • ¿Qué sucede con el número de Reynolds cuando las resistencias están trabajando y aumenta la temperatura del aire? Nomenclatura Tbs : temperatura de bulbo seco (°C) D: diámetro (m) V: velocidad (m/s) ρ: densidad (m3 /Kg) µ : viscosidad (C-poise) Re: Numero de Reynolds (adimensional) Q: flujo volumétrico (m3 /s) A: área (m2 )
  • 105. 84 3.5 Determinación de coeficiente de transmisión de calor por convección en un secador de bandeja Introducción La transmisión de calor se define como la transferencia de energía de una región a otra debido a gradientes de temperatura existentes entre las dos regiones. En los procesos térmicos de los alimentos es muy importante conocer las características de transmisión de calor. En esta práctica se presenta como evaluar el coeficiente de transmisión de calor entre un fluido y un sólido, tal como en secado. (13) Objetivo • Determinar el coeficiente de transmisión de calor por convección de un producto colocado en un secador de bandeja a velocidad de aire y temperatura constante. Requerimientos Plátano de seda Medidor de Bernier Cuchillo Termohigrómetro Secador de bandeja
  • 106. 85 Procedimiento 1. Ubique la muestra a secar 2. Regule la perilla 1 de velocidad 4.19 m/s y la perilla 2 de la temperatura de 60, 70 y 80ºC (anexo 25). 3. Obtenga las siguientes propiedades del aire según su temperatura de trabajo anexo 18. (39) (2) G = V ρ 4. Determine el valor de densidad de flujo másico de aire según la ecuación 39 5. Determine el valor del coeficiente pelicular de transferencia de calor según la ecuación 14. Cálculos TemperaturasValores de densidad de flujo y del coeficiente de transmisión de calor 60 ºC 70 ºC 80 ºC G (kg/m2 h) h (w/m2 hºK)
  • 107. 86 Ejemplo: Datos: Obtenidos del anexo 18 G = V ρ G60 = (4.19 m/s) (1.025 Kg./m3 ) (3600/1h) G60 = 15461.1 Kg/m2 h G70 = 15023.7 Kg/m2 h G80 = 14601.3 Kg/m2 h h = 0.0204 G0.8 h60 = 45.82 w/m2 hºK h70 = 44.78 w/m2 hºK h80 = 43.77 w/m2 hºK ºC ρ 60 1.025 70 0.996 80 0.968
  • 108. 87 Resultados y discusión Tabla 8. Valores del coeficiente de transferencia de calor y densidad de flujo másico Temperatura 60 ºC 70 ºC 80 ºC G (kg/m2 h) 15461.1 15023.7 19601.3 h (w/m2 hºK) 45.82 44.78 43.77 • Como cree usted que afectaría el incremento de temperatura en la determinación del coeficiente de transferencia de calor, esta aumenta, disminuye o se mantiene constante. Demuéstrelo. Nomenclatura a. base (m) b: altura (m) µ: viscosidad (C-poise) ρ: densidad (m3 /Kg) D: diámetro (m) V: velocidad (m/s) h: coeficiente de transmisión de calor por convección (W/m2 ºK)
  • 109. 88 3.5.1 Influencia de la velocidad de aire Introducción La velocidad del aire afecta directamente al número de Reynolds y es principalmente quien define si el fluido tiene un comportamiento laminar o turbulento. Por esto afecta también al Nusselt y como consecuencia a h ya que éste esta en función de él. Esta variación del coeficiente convectivo de transferencia de calor puede ayudar a definir cuales son las condiciones optimas de operación del sistema en donde se analicen tiempo y economía y se logre la eficiencia en el proceso de secado. Objetivo • Determinar como afecta la variación de la velocidad en el coeficiente convectivo de transferencia de calor. Procedimiento 1. Defina una velocidad de aire en el blower 2. Mantenga una temperatura constante de operación
  • 110. 89 3. Para esa temperatura (anexo 25), determine densidad (ρ) del anexo 18 4. Determine el valor de h y G con la ayuda de las ecuaciones 14 y 39. 5. Repita el experimento a diferentes velocidades. Requerimientos Secador de bandeja Cálculos V (m/s) ρ G h R = 7.34 S = 5.24 T = 4.19 Ejemplo: Datos: ºT del aire 65ºC GR = V. ρ GR = (7.34 m/s). (1.025 Kg/m3 ) GR = 27084.6 Kg/m2 h
  • 111. 90 GS = V. ρ GS = (5.24 m/s). (1.025 Kg/m3 ) GS = 19335.6 Kg/m2 h GT = V. ρ GT = (4.19 m/s). (1.025 Kg/m3 ) GT = 15461.1 Kg/m2 h hR = 0.0204 G0.8 hR = 0.0204 (27084.6) 0.8 hR = 71.75 w/m2 hºK hS = 0.0204 G0.8 hS = 0.0204 (19335.6) 0.8 hS = 54.79 w/m2 hºK hT = 0.0204 G0.8 hT = 0.0204 (15461.1) 0.8 hT = 45.82 w/m2 hºK
  • 112. 91 Resultados y discusión. Tabla 9. Valores de densidad, densidad de flujo másico y coeficiente convectivo de transferencia de calor a diferentes velocidades V (m/s) ρ G h R = 7.34 1.025 27084.6 71.75 S = 5.24 1.025 19335.6 54.79 T = 4.19 1.025 15461.1 45.82 Variacion de h Vs. V (m/s) 0 20 40 60 80 4,19 5,24 7,34 Velocidad de aire (m/s) Coeficientede Transferenciadecalor Figura. 15 Variación de h vs V (m/s)
  • 113. 92 Discusión • Que cree usted que sucedería (demuéstrelo): • Si se aumenta la velocidad y disminuye la temperatura. • Si se aumenta la velocidad y aumenta la temperatura. • Si se disminuye la velocidad y disminuye la temperatura. • Si se disminuye la velocidad y aumenta la temperatura Nomenclatura V: velocidad (m/s) ρ: densidad (m3 /Kg) G: densidad de flujo másico de aire (Kg/m2 h) h: coeficiente de transmisión de calor por convección (W/m2 ºK.)
  • 114. 93 3.6 Aplicación de la ley de Fick para determinar el coeficiente de difusión en el secado de alimentos Introducción Los fenómenos de transporte tienen lugar en aquellos procesos, conocidos como procesos de transferencia, en los que se establece el movimiento de una propiedad ( masa, momentum o energía) en una o varias direcciones bajo la acción de una fuerza impulsora. Al movimiento de una propiedad se le llama flujo. La ley de Fick es el modelo matemático que describe la transferencia molecular de masa, en sistemas o procesos donde puede ocurrir solo difusión o bien difusión más convección. Una vez analizada la ley de Fick, se observa la necesidad de disponer de valores numéricos del parámetro difusividad. (13) (40) (4) XcXo XsX r − − = 2 8 π = 2 1 1 hnn ∑ ∞ = 24 2 L Deffhn e − (41) (4) hn = 2n – 1
  • 115. 94 Objetivos • Determinar los valores del coeficiente de difusión de transferencia de masa y comprobar la aplicación de la ley de Fick. • Obtener información sobre el mecanismo de transferencia de agua, durante la deshidratación de frutas. Requerimientos Isoterma de absorción del producto a utilizar. Plátano de seda Medidor de Bernier Cuchillo Termohigrómetro Secador de bandeja Procedimiento 1. Regule la perilla 1 de velocidad de flujo de aire y la perilla 2 de temperatura (anexo 25) 2. Encienda el equipo con el botón verde 3. Trocee la fruta que desea secar y ubíquela en la canastilla dentro del equipo. 4. Determine la humedad en la superficie con la ayuda de la isoterma de absorción del banano anexo 24
  • 116. 95 X - Xs ln vs. t Xo - Xs 5. Mida la humedad inicial del producto, anexo 1. 6. Determine la humedad de la muestra al tiempo t. 7. Saque la pendiente de la parte lineal de la grafica, que es igual al valor de Deff. Nota: el valor de Xs = Xe Cálculos Muestra Deff Plátano (65ºC) Plátano (75ºC) Ejemplo:
  • 117. 96 ºT del aire 65ºC 0,01 0,1 1 10 20 30 40 50 60 90 120 150 180 210 240 Tiempo (min) ln(X-Xs)/(Xo-Xs) Figura. 16 Grafico experimental para determinar Deff a 65ºC Obteniendo la pendiente de esta grafica tenemos el valor de Deff Deff = 0.0105 ºT del aire 75ºC 0,001 0,01 0,1 1 10 30 50 90 150 210 Tiempo (min) ln(X-Xs)/(Xo-Xs) Figura 17. Grafica experimental para obtener Deff a 75ºC
  • 118. 97 Obteniendo la pendiente de esta grafica tenemos el valor de Deff Deff = 0.0142 Resultados y discusión Tabla 10. Valores del coeficiente de difusión en secado de plátano a 65 y 75 ºC Muestra Deff Plátano (65ºC) 0.0105 Plátano (75ºC) 0.0142 • Compare con cálculos como afecta el espesor de una misma muestra en el coeficiente de difusión. Nomenclatura H1: humedad absoluta inicial (Kg agua/Kg aire seco) H2: humedad absoluta final (Kg agua/h) x1: espesor (m) Deff: coeficiente de difusión n. vector normal de unidades (adimensional) Xs: humedad de la superficie
  • 119. 98 3.7 Obtención de la curva de velocidad de secado en frutas. Introducción El secado es un fenómeno complejo que involucra la transferencia de calor y materia (el transporte de calor hacia dentro del material y el transporte de agua hacia el exterior). Existen muchos mecanismos posibles de secado, pero aquellos que controlan el secado de una partícula dependen de su estructura, contenido de humedad inicial, contenido de humedad de equilibrio de la partícula de las condiciones de secado (temperatura, velocidad y humedad relativa del aire), contenido de humedad, dimensiones, superficie expuesta a la velocidad de transferencia, y contenido de humedad de equilibrio de la partícula. Durante el secado con aire bajo condiciones ambientales constantes, la curva de secado puede ser dividida en los siguientes cuatro períodos de velocidad de secado figura 18 (13) : En la figura 18 se muestra los 4 periodos de velocidad de secado. Figura 18 Curva de velocidad de secado vs humedad.
  • 120. 99 3.7.1 Calculo de periodo de velocidad constante Introduccion En el periodo de velocidad constante en la que se elimina el agua de la superficie del producto es igual a la velocidad con que llega desde el interior del mismo, de esta manera la superficie del material se mantiene constantemente mojada, y se comporta como una masa de líquido. Si la transmisión de calor tiene lugar solamente por convección, la temperatura de la superficie del sólido permanece constante e igual a la temperatura húmeda del aire de secado. Esta temperatura puede determinarse mediante un diagrama psicrométrico del aire húmedo. La velocidad de secado permanecerá constante mientras exista agua libre en la totalidad de la superficie del alimento (13) Objetivo • Calcular el valor total de evaporación (VTE) Requerimientos Isoterma de absorción del producto a utilizar. Plátano de seda Medidor de Bernier
  • 121. 100 Cuchillo Termohigrómetro Secador de bandeja Procedimiento Para obtener el valor total de evaporación en una superficie es necesario encontrar los siguientes parámetros: 1. Obtenga el valor de la densidad: Masa de aire seco + masa de humedad (42) (4) ρaire = (Vh) 2. Obtenga el valor de h con la ayuda de ecuación 14 3. Determine el valor de calor latente de vaporización (λw) para temperatura de bulbo húmedo (Tbh) en el anexo 3 4. Usando la ecuación 9 determine el valor de la velocidad de secado. (Rc) 5. En el anexo 2 entre con temperatura de bulbo seco (Tbs) y humedad relativa del aire (Hr) y obtenga la humedad absoluta (H1).
  • 122. 101 6. Por lo que la velocidad total de evaporación para una superficie esta dada por: (43) (4) VTE = Rc. A Cálculos Muestra A Rc VTE Plátano (65ºC) Plátano (75ºC) Ejemplo: Datos. ºT del aire (65ºC) Área: 9.62 x 10-4 m2 Vh = (2.83 x10-3 + 4.56 x10-3 (H)) ºT Vh = (2.83 x10-3 + 4.56 x10-3 (0.092)) (65 ºC + 273) Vh =1.021 m3/Kg 1 + 0.042 ρaire = = 1.020 1.021
  • 123. 102 G = V ρ G = (4.19 m/s) (1.020 Kg/m3 ) G = 4.06 Kg/ms x 3600 s/h G = 15385.68 Kg/m2 h h = 0.0204 G0.8 h = 45.64 w/m2 ºK 095110305 λ w = ∆h λ w = entalpía vapor saturado – entalpía liquido saturado λ w = 2583.2 – 188.45 λ w = 2394.75 (KJ/ Kg) h (T – Tbh) Rc = λ w (45.64 – KJ/hm2 ºK (65 – 45) ºK Rc = 2394.75 KJ/Kg
  • 124. 103 Rc = 1.37 Kg/hm2 VTE = 1.46 Kg/hm2 (9.62 x 10-4 m2 ) VTE = 1.3 x 10-3 Kg/h Datos: ºT del aire (75ºC) Área: 9.62 x 10-4 m2 Vh = (2.83 x10-3 + 4.56 x10-3 (H)) ºT Vh = (2.83 x10-3 + 4.56 x10-3 (0.085)) (75 ºC + 273) Vh =1.1197 1 + 0.085 ρaire = = 0.969 1.1197 G = V ρ G = (4.19 m/s) (0.969 Kg/m3 ) G = 4.06 Kg/ms x 3600 s/h G = 14616.396 Kg/m2 h h = 0.0204 G0.8
  • 125. 104 h = 43.80 w/m2 ºK λ w T w X 53ºC X = 2597.38 (vapor) X = 221.732 (liquido) λ w = ∆h λ w = entalpía vapor saturado – entalpía liquido saturado λ w = 2597.38 – 221.732 λ w = 2375.698 (KJ/ Kg) h (T – TW) Rc = λ w (157.66 – KJ/hm2 ºK (75 – 53) ºK Rc = 2375.648 KJ/Kg Rc = 1.46 Kg/hm2
  • 126. 105 VTE = 1.46 Kg/hm2 (9.62 x 10-4 m2 ) VTE = 1.4 x 10-3 Kg/h Resultados y discusión Tabla 11. Valores de velocidad de secado y de velocidad total de evaporación a una misma área Muestra A Rc VTE Plátano (65ºC) 9.62x10-4 m2 1.37 Kg/hm2 1.3x10-3 Kg/h Plátano (75ºC) 9.62x10-4 m2 1.46 Kg/hm2 1.4x10-3 Kg/h • ¿Que ocurre con la velocidad de secado al aumentar la temperatura? Nomenclatura Vh: volumen húmedo (m3 /Kg sólido seco) H: humedad del aire (Kg agua/Kg aire seco) T: temperatura absoluta (ºK) ρaire: densidad del aire (Kg/m3 ) G: densidad de flujo másico del aire (Kg/s m2 ) V: velocidad (m/s) ρ: densidad (m3 /Kg)
  • 127. 106 λ w: calor latente del vapor a la temperatura del bulbo (KJ/Kg de agua) Tbh: temperatura de bulbo húmedo (ºK) VTE: velocidad total de evaporación (Kg/h) Rc: velocidad de secado (Kg/hm2 ) A: área (m2 )
  • 128. 107 3.7.2 Calculo de periodo de velocidad decreciente Introducción El contenido de humedad al final del período de velocidad constante es el contenido de humedad crítico (Xcr). En este punto la superficie del sólido ya no se encuentra saturada de agua, y la velocidad de secado disminuye con el decrecimiento en el contenido de humedad y el incremento en la temperatura. En el punto final de este período, el film de humedad superficial se ha evaporado completamente y, con el posterior decrecimiento en el contenido de humedad, la velocidad de secado es controlada por la velocidad de movimiento de la humedad dentro del sólido. (13) Objetivo • Determinar la velocidad de secado para el régimen de velocidad decreciente. Procedimiento 1. Anote el peso inicial de la fruta. 2. Coloque la muestra en el secador 3. Registre la variación del peso de la fruta hasta que no exista cambio.
  • 129. 108 4. Registre el tiempo que transcurrió durante esta etapa de secado. Los datos se toman del anexo 8 y 15: peso de sólido seco (Wt), humedad inicial (Xo), humedad final (Xf) y el tiempo en el periodo de velocidad decreciente (43) (4) tbd XfXoWt Rd )( − = Nota: tbd se determina experimentalmente, con la grafica. Curva de velocidad de secado 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 2,692,111,650,90,270,09 Humedad libre Kg agua/ Kg s.s velocidaddesecado Kg/hm2 Figura. 19 Curva de velocidad de secado a 65ºC
  • 130. 109 Curva de velocidad de secado 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 2,691,881,190,550,150,05 Humedad libre Kg agua/ Kg s.s VelocidaddesecadoKg/ hm2 Figura. 20 Curva de velocidad de secado a 75ºC Requerimientos Isoterma de absorción del producto a utilizar. Plátano de seda Medidor de Bernier Cuchillo Termohigrómetro Secador de bandeja Cálculos Datos: ºT del aire (65ºC) Peso: 0.0008672 Kg s.s Xo: 2.687 Kg H2O/Kg s.s
  • 131. 110 Xf: 0.0353 Kg H2O/Kg s.s Tiempo: 180 min tbd XfXoWt Rd )( − = 3 )03532288.06875369.2(0008672.0 − =Rd 24 /106.7 hmKgxRd − = Datos: ºT del aire (75ºC) Peso: 0.0008672 Kg s.s Xo: 2.687 Kg H2O/Kg s.s Xf: 0.0010 Kg H2O/Kg s.s Tiempo: 190 min tbd XfXoWt Rd )( − = 16.3 )00102878.06875369.2(0008672.0 − =Rd 24 /103.7 hmKgxRd − =
  • 132. 111 Resultados y discusión: Tabla 12. Valores de velocidad de secado en el periodo decreciente Muestra Rd (65ºC) Rd (75ºC) Plátano 7.6x10-4 7.3x10-4 • Como influye el espesor del sólido en determinar la velocidad de secado en este periodo, aumenta o disminuye a mayor espesor ?. Explique. • Se podría decidir el tiempo de secado midiendo el espesor del sólido, explique. Nomenclatura Wt: peso de sólidos secos (g) Xo: humedad inicial (Kg agua/Kg sólido seco) Xf: humedad final (Kg agua/Kg sólido seco) Tbd: tiempo de secado en el periodo de velocidad decreciente (h) H2: humedad en base seca (Kg agua/h) %H2O: porcentaje de humedad (%)
  • 133. 112 3.7.3 Calculo de tiempo de secado Introduccion La velocidad con que se seca el producto depende, normalmente, de la rapidez con que se desarrolla la transmisión de calor y la transferencia de materia. El transporte de la cantidad de movimiento esta relacionado con las características de los ventiladores que han de impulsar el aire de secado. Objetivo • Determinar el tiempo total de secado el cual consta de dos etapas, el periodo de velocidad constante y el periodo de velocidad decreciente para diferentes frutos. Requerimientos Isoterma de absorción del producto a utilizar. Plátano de seda Medidor de Bernier Cuchillo Termohigrómetro Secador de bandeja
  • 134. 113 Procedimiento 1. Regule la perilla 1 de velocidad de aire y la perilla 2 de temperatura (anexo 25). 2. Encienda el equipo presionando el botón verde 3. Coloque la muestra a secar dentro de la canastilla en el equipo. 4. Determine el calor específico del aire húmedo (Cs) del anexo 18 5. Determine la humedad relativa del aire con la ayuda del termohigrómetro. 6. Determine el valor de humedad critica (Xc ) de la figura 19 y 20 según sea el caso. 7. Obtenga los datos requeridos para usar la siguiente formula: espesor (z), humedad inicial (Xo) del anexo 8 y 15, humedad critica (Xc) del anexo 8 y 15 , temperatura de bulbo seco (Tbs) definida por la temperatura de trabajo y temperatura de bulbo húmedo (Tbh) con el termohigrómetro, coeficiente convectivo de transferencia de calor (h)según el procedimiento de la practica 3.5, factor de forma geométrica (a) que para facilidad de cálculos se lo considera como la unidad, densidad de flujo
  • 135. 114 másico (G), calor latente de vaporización a la temperatura de bulbo húmedo (λw ) según el anexo 3. (44) (4) )/exp(1)(( )( 1 sbhbss cws GChazTTGC XXz tc −−− − = λρ 8. Determine el tiempo de secado para el periodo de velocidad decreciente según la ecuación que sigue: determine la humedad final del producto (Xf) según el anexo 8 y 15. (45) (4) )/exp(1)(( )ln( sbhbss fccws GChazTTGC XXXz td −−− − = λρ (49) (4) Tts = tc + td Cálculos Muestra Tc(horas) Td(horas) Tts(horas) Plátano(65ºC) Plátano(75ºC)
  • 136. 115 Ejemplo Datos: ºT del aire 65ºC Z: 0.5 cm X1: 2.6875 Kg H2O/Kg s.s Xc: 1.41 Kg H2O/Kg s.s Tbs: 65ºC Tbh: 45ºC h: 45.24 W/m2 ºK a: 1m2 /m3 G: 4.23 Kg/m2 s ρs: 724.7 Kg/m3 λw :2394.75 KJ/Kg H2O )/exp(1)(( )( 1 sbhbss cws GChazTTGC XXz tc −−− − = λρ G = V ρ G = 4.23395 Kg/m2 s ))015.1*23395.4/()105*1*24.45(exp(1)(4565)(015.1)(23395.4( )41.16875.2)(75.2394)(7.724)(105( 3 3 − − −−− − = x x tc horastc 711.0=
  • 137. 116 )/exp(1)(( )/ln( sbhbss fccws GChazTTGC XXXz td −−− = λρ ))0175.1*23395.4/()105*1*4524(exp(1)(4565)(0175.1)(23395.4( )035322878.0/41.1ln()41.1)(75.2394)(7.724)(105( 3 3 − − −−− = x x td horastd 89.2= Tts = tc + td Tts = 0.71 + 2.89 Tts = 3.6 horas Datos: ºT del aire 75ºC Z: 0.5 cm X1: 2.6875 Kg H2O/Kg s.s Xc: 0.8428 Kg H2O/Kg s.s Tbs: 75ºC Tbh: 53ºC h: 43.80 W/m2 ºK a: 1m2 /m3 G: 4.06 Kg/m2 s ρs: 724.7 Kg/m3 λw :2375.64 KJ/Kg H2O
  • 138. 117 )/exp(1)(( )( 1 sbhbss cws GChazTTGC XXz tc −−− − = λρ G = V ρ G = 4.06 Kg/m2 s ))0165.1*06.4/()105*1*80.43(exp(1)(5375)(0165.1)(06.4( )84281.06878369.2)(648.2375)(7.724)(105( 3 3 − − −−− − = x x tc horastc 94.0= )/exp(1)(( )/ln( sbhbss fccws GChazTTGC XXXz td −−− = λρ ))0165.1*06.4/()105*1*80.43(exp(1)(5375)(0165.1)(06.4( )024.0/8428.0ln()8428.0)(65.2375)(7.724)(105( 3 3 − − −−− = x x td horastd 53.1= Tts = tc + td Tts = 0.94+ 1.53 Tts = 2.47 horas
  • 139. 118 Resultado Tabla 13. Valores del tiempo total de secado Muestra Tc(horas) Td(horas) Tts(horas) Plátano(65ºC) 0.71 2.89 3.6 Plátano(75ºC) 0.94 1.53 2.47 Actividades • Según su análisis como cree usted que afecta la porosidad del fruto en la determinación del tiempo total de secado, explique. • Explique como afecta la cantidad de agua del fruto en la determinación del periodo de velocidad constante. Nomenclatura Tts: tiempo total de secado (h) tc: tiempo de secado constante (h) td: tiempo de secado decreciente (h) z: dimensión de anchura o espesor (m) ρs: densidad del sólido (m3 /Kg) λw: calor latente de vapor a la temperatura de bulbo húmedo (KJ/IKg de agua)
  • 140. 119 X1: concentración inicial (Kg agua/ Kg sólido seco) Xc: humedad critica (Kg agua/ Kg sólido seco) G: densidad de flujo másico de aire (Kg/m2 h) Cs: calor especifico del aire húmedo (KJ/Kg ºK) Tbs: temperatura de bulbo seco (ºC) Tbh: temperatura de bulbo húmedo (ºC) h: coeficiente de transmisión de calor por convección (W/m2 ºK) a : factor de forma y superficie especifica (m2 /m3 )
  • 141. CAPÍTULO 4 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES En un proceso de secado existen factores muy importantes que se pueden variar durante el mismo; pero son solo dos quienes se constituyen en los verdaderos protagonistas del proceso. La temperatura y la velocidad del aire marcan la forma, la calidad y el tiempo en que se llevara a cabo este proceso. En este secador es posible el secado de frutas sin destruir mayormente la calidad de la misma. La textura de los alimentos es el parámetro de calidad que mas se modifica con la desecación. La variación en la textura depende también de las condiciones del desecador, por ejemplo, si se usan velocidades de deshidratación rápidas y temperaturas elevadas los cambios serán mas pronunciados que con flujos y temperaturas mas bajos, y es por este motivo que no recomendamos secar a temperaturas superiores a 75 Centígrados. Este
  • 142. 121 fenómeno sucede de la siguiente forma: a medida que el agua va eliminándose, los solutos se desplazan hacia la superficie del alimento. Si las temperaturas son elevadas la evaporación del agua hace que la concentración de solutos en la superficie aumente lo que conduce a la formación de una capa superficial dura e impenetrable. Este fenómeno se llama acortezamiento y reduce la velocidad de deshidratación dando lugar a un alimento seco en su superficie pero húmedo en su interior. El calor no sólo provoca el paso del agua a vapor durante la deshidratación, sino también la pérdida de algunos componentes volátiles del alimento. El incremento en la temperatura produce un incremento en la velocidad de secado y por ende en la velocidad total de evaporación que es la velocidad con la que se seca un área determinada. Un factor importante que limita la temperatura en el proceso de secado es la calidad que se quiere obtener, ya que a temperatura elevadas el producto se quema. Lo que no es conveniente dependiendo de lo que se quiera hacer con el producto seco. Las condiciones de operación del sistema marcan el proceso de secado y varían dependiendo del objetivo que queramos obtener, es así que
  • 143. 122 cuando se analiza cada una de las prácticas que se han elaborado en este trabajo observamos que: Se demuestra claramente en el balance de materia que el incremento de la temperatura aumenta la cantidad de agua que se evapora del producto ya que esta se ve representada con la humedad final que alcanza del aire. Para el primer caso a 65ºC comparado con el de 75ºC la humedad gana el aire y que es otorgada por el producto es casi la mitad de lo que se evapora a 75ºC; este estudio se lo realizo a una misma velocidad de aire. Para el caso del coeficiente global de transferencia de calor, si la temperatura de trabajo aumenta, disminuye la densidad del aire por lo que el valor de G disminuye si se mantienen constante la velocidad. Al disminuirse el valor de G el valor de h también lo hace ya que son directamente proporcionales, por lo que el tiempo total de secado aumenta. El aumento de la velocidad del aire en un proceso de secado ocasiona que aumente el flujo del mismo que pasa a través del producto por lo que aumenta el valor del coeficiente global de transferencia de calor. El
  • 144. 123 inconveniente que se presenta por una velocidad alta es el daño del producto por arrastre en la superficie. El numero de Reynolds como se sabe depende del diámetro, velocidad, densidad, viscosidad y si varían estos factores cambia el número de Reynolds. En función de la temperatura varían la densidad y viscosidad, es así que si aumentan la temperatura, baja la viscosidad y aumenta la viscosidad lo que a mayor temperatura disminuye el número de Reynolds. Se realizaron varias pruebas para muestras de plátano igual simetría, contenido de humedad y peso con condiciones de operación diferente. Tabla del tiempo de secado. Velocidades Temperaturas 4.19 m/s 5.24 m/s 7.34 m/s 65 ºC 240 min. 220 min. 200 min. 75 ºC 230 min. 215 min. 180 min. Con lo que se concluye que para el secado de plátano los mejores parámetros de operación (según a calidad de producto final) son 4.19 m/s de velocidad de aire que se obtiene moviendo la perilla hasta la letra T y ubicando una temperatura de 65 ºC, con esto se estima que el tiempo de
  • 145. 124 secado sea de 4 horas para plátano de seda con 72.9 g de agua/ 100 g de peso de producto de humedad inicial y llegando hasta 0.0353 humedad en base seca. Seria conveniente dotar de alguna malla o algún accesorio que permita que el flujo de aire se vuelva laminar, para que las condiciones de secado sean más estables. Analizar la forma y textura inicial de la fruta para según eso tener una idea que cual puede ser la temperatura de referencia para no causar daños graves al producto durante el proceso de secado. Como medida de precaución cuando el equipo este operando no tocar sin un aislante (guantes) el vidrio de la puerta ya que este se calienta debido a la temperatura del aire.